對於聲波來說，宇宙的稠度就像巧克力糖漿。
這是研究大爆炸的科學家們透過一種將宇宙中的物質視為一種特殊流體的新方法而取得的一項發現。他們已經計算出了表徵宇宙行為和演化特性的引數，包括其粘度，即對聲波和其他擾動的變形的抵抗力。
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“宇宙的粘度是 20 帕斯卡秒，”斯坦福大學物理學助理教授萊昂納多·塞納託雷說——就像冰淇淋配料一樣。
粘度計算可以幫助宇宙學家偵查大爆炸的細節，並可能在未來某天確定其觸發因素，這透過使他們能夠將宇宙的流體狀流動追溯到 138 億年前的初始狀態。
隨著探測大爆炸的其他技術達到其靈敏度極限，宇宙學家正在從粒子物理學和凝聚態物理學中借用流體方法，這種方法被稱為“有效場論”，這兩個領域已經使用該方法幾十年了。宇宙學家表示，透過將整個空間中旋轉的物質建模為粘性流體，他們可以精確地計算出流體在重力作用下是如何演化的，然後將這種宇宙演化倒退到最初的狀態。“使用這種方法，您可以真正放大宇宙的初始條件，並開始提出越來越精確的問題，”普林斯頓大學的博士後研究員恩里科·帕耶說道，他最近有一篇關於該技術的論文被《宇宙學和天體粒子物理學雜誌》接受。
天文學家收集的關於星系在整個空間中分佈的資訊越多（稱為宇宙的“大規模結構”），流體模型就越準確。而且，資料正在湧入。 1980 年代存在的幾個附近星系的粗略散點圖已經讓位於一個更豐富的數百萬個星系地圖，並且計劃中的望遠鏡將很快把計數推至數十億。支持者認為，透過這些資料點的調整，流體模型可能會在 10 或 15 年內變得足夠精確，以證明或駁斥一種有前途的大爆炸理論，稱為“慢滾暴脹”，該理論認為宇宙在被稱為暴脹場的實體從一種狀態緩慢滑動到另一種狀態時膨脹存在。“長期以來，一直有一個龐大的社群試圖進行這種型別的計算，”新澤西州普林斯頓高階研究所的宇宙學教授馬蒂亞斯·扎爾達里亞加說。研究人員說，在未來，將有效場論應用於更大的資料集可能會揭示暴脹場的特性，這將有助於物理學家建立一種理論來解釋它。
“這顯然是應該使用的正確工具，”斯坦福大學的理論物理學家約翰·約瑟夫·卡拉斯科說。“現在正是時候。”
塞納託雷、卡拉斯科和他們在斯坦福大學的合作者馬克·赫茨伯格首次在2012 年發表在《高能物理學雜誌》上的一篇論文中提出了對宇宙的大規模結構進行建模的流體方法，其動機是它可能幫助他們從日益龐大的資料集中收集到的大爆炸細節。此後，其他研究人員也加入了進來，在一系列的論文、演講和即將舉行的研討會中幫助改進了該方法。“我們是一小群頑強的人，他們相信這是前進的方向，”加州理工學院的理論宇宙學家肖恩·卡羅爾說。
流體宇宙
在水、巧克力糖漿和其他流體中，物質在大尺度上平滑分佈，並在小尺度上劃分為塊，例如原子或分子。為了計算水在人類尺度上的行為（水在人類尺度上是一種流體），沒有必要考慮 H₂O 分子在原子尺度上的每次碰撞。事實上，這樣做會使計算變得不可能。相反，所有分子相互作用在原子尺度上的集體效應可以平均，並在流體方程中表示為“體積”特性。（例如，粘度是粒子之間摩擦力的度量，取決於它們的大小和形狀以及它們之間的力。）
類似的技巧也適用於對宇宙大規模結構的演化進行建模。
就像水一樣，宇宙在大尺度上是平滑的：一個十億光年寬的區域中的物質數量與下一個區域中的物質數量相同。當你放大時，會出現物質分佈的輕微變化，例如密度更高和更低的星系區域。在短距離上，變化變得極端：單個星系被空隙包圍，而在星系內部，恆星像針頭一樣刺破空曠的空間。隨著重力導致恆星、星系和星系團聚集在一起，暗能量拉伸它們之間的空間，物質分佈在每個尺度上不斷變化。透過對這些變化進行建模，宇宙學家可以使用輸出（星系分佈資料）來推斷輸入（宇宙的初始條件）。
在第一近似中，每個距離尺度（從大到小）的物質分佈都可以被視為獨立演化。然而，正如水面上的小波紋會影響大波的演化一樣，宇宙中較小的物質團塊（例如星系團）也會以引力影響包圍它們的較大團塊（例如超星系團）。在宇宙演化模型中考慮這種相互作用是有問題的，因為在最短距離尺度上的引力效應（在這個尺度上，宇宙不像流體那樣平滑，而是凝聚成孤立的、類似粒子的物體）會破壞計算。
有效場論透過僅考慮尺度之間的相互作用（降至星系之間距離的幾倍）來解決這個問題。“小於該長度尺度的所有事物，我們都將其視為複雜且難以理解，並且那些小尺度上發生的所有事情都可以捆綁到一個大的影響中，”卡羅爾解釋說。小尺度上物質的平均引力效應表示為流體的粘度；因此，宇宙與巧克力糖漿之間存在聯絡。
儘管前者稀疏而寒冷，而後者濃稠且通常是溫熱的，但根據資料和模擬計算，它們的粘度幾乎完全相等。這個數字意味著這兩種流體都會立即抑制入射聲波。“它只是‘咚’的一聲，然後就消失了，”帕耶說。
終極探測器
“對於大規模結構的有效場論來說，現在還處於早期階段，”約翰·霍普金斯大學的物理學和天文學教授馬克·卡米奧科夫斯基說，他沒有參與該方法的開發。他說，雖然“它確實具有一些優勢”，但在使用該工具從天文資料中提取新發現之前，還需要做很多工作。
例如，到目前為止，宇宙學家僅開發了暗物質演化的有效場論模型，暗物質是一種看不見的物質，約佔宇宙物質的六分之七。可見物質略微複雜一些，研究人員說，它在短距離尺度上的行為可能更難以表示為流體的整體特性。“那是下一個挑戰，”扎爾達里亞加說，他是2013 年 11 月一篇關於有效場論方法的論文的合著者。“我們一次做一件事。”
研究人員的最終目標是測量宇宙初始條件中所謂的“非高斯性”。如果暴脹理論是正確的，並且暴脹場短暫地過渡到不穩定狀態，導致空間體積膨脹 1078 倍，那麼被稱為量子漲落的隨機能量波紋就會在該場中出現，並隨後成長為今天存在的大規模結構。預計這些波紋將遵循“高斯”分佈，在該分佈中，能量均勻地分佈在鐘形曲線的兩側。宇宙學家尋找非高斯性，或能量分佈的細微偏差，作為暴脹期間其他更有意義的事件的跡象，例如多個暴脹場之間的相互作用。最近釋出的普朗克衛星宇宙微波背景影像表明，早期宇宙中的能量波動遵循高斯曲線，至少達到十萬分之一，這與宇宙起源於單暴脹場的慢滾模型相容。但尚未排除會產生更小非高斯性的替代模型。
透過使用即將到來的天空調查（例如大型綜合巡天望遠鏡專案和歐幾里得任務）中的星系分佈資料來調整有效場論模型，宇宙學家估計可以將非高斯性的檢測能力提高 10 或 20 倍。如果在該靈敏度水平下未檢測到任何非高斯性，“我們可以肯定它是標準的慢滾暴脹，”塞納託雷說。“這非常令人興奮。”
如果可以證明大爆炸始於慢滾暴脹，那麼下一個任務將是探測“暴脹子”（與暴脹場相關的粒子，是包羅永珍的自然理論的組成部分）的特性。在暴脹期間，暴脹子必須至少與自身和重力相互作用，並且這兩種相互作用都會將暴脹場的能量分佈非常輕微地推向一邊。計劃中的天空調查將不足以檢測到如此細微的非高斯性，但研究人員預計它們會印在早期宇宙中氫氣發出的訊號上。“這是終極探測器，”帕耶說。
望遠鏡應該會在大約 30 或 40 年內檢測到這種氫訊號，稱為 21 釐米線，並且將使用有效場論來嘗試梳理出非高斯性。“雖然我們老了，”35 歲的塞納託雷說，“我們肯定會檢測到一些東西。”
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