三位研究宇宙大尺度結構的科學家獲得10萬美元的突破性物理學獎
作者:知識 來源:焦點 瀏覽: 【大 中 小】 發布時間:2025-12-09 19:21:28 評論數:
藝術家對宇宙網絡的印象。它看起來像一個巨大的究宇結構獎蜘蛛網一樣的結構，或者主要是尺度紫色和一些黑色背景上的橙色細絲。(圖片來源:uux.cn/Volker Springel(馬克斯·普朗克天體物理研究所)等)
（神秘的學家性物地球uux.cn）據美國太空網（本·特納）：三名科學家獲得了10萬美元的獎金，用于研究宇宙大規模結構的突破新方法——縱橫交錯的巨大物質卷須隱藏著我們宇宙基本力量的證據。
麻省理工學院的理學米哈伊爾·伊萬諾夫(Mikhail Ivanov)、哥倫比亞大學和西蒙斯基金會的位研萬美奧利弗·菲爾科克斯(Oliver Philcox)以及佛羅倫薩大學的馬爾科·西蒙諾維奇(Marko Simonovi)獲得了新視野物理學獎，“以表彰他們為我們理解宇宙的究宇結構獎大尺度結構以及開發從星系巡天中提取基礎物理學的新工具做出的貢獻。”
新視野獎每年由突破獎基金會頒發給早期職業研究人員，尺度獎金由科技億萬富翁謝爾蓋·布林、學家性物陳慧嫻和馬克·扎克伯格、突破尤里和朱莉婭·米爾納以及安妮·沃西基捐贈。理學今年的位研萬美二等獎也授予了范德比爾特大學的亞歷山德魯·盧普斯卡和哈佛大學的邁克爾·約翰遜，以表彰他們追逐神秘黑洞光子球的究宇結構獎工作。
在宇宙對撞機里
根據宇宙學的尺度標準模型，宇宙在大爆炸后開始形成，當時年輕的宇宙充滿了物質和反物質的粒子，它們在接觸時只會相互湮滅。大多數宇宙的組成部分都是以這種方式自我毀滅的。如果他們完全做到了這一點，就不會有星系、恒星或行星形成。
然而，宇宙被迅速膨脹的時空結構中的微小擾動所拯救，這使得一些等離子體袋得以存活。當年輕宇宙翻滾的粒子-反粒子肉湯膨脹時，它的熔融細絲向外移動，形成一個相互連接的肥皂泡狀薄膜結構，包圍著無數大部分是空的空洞。
今天，宇宙是作為那些最早的粒子相互作用的地圖而存在的，這些粒子沿著一個巨大的宇宙網絡(今天是像我們這樣的星系的發源地)的鏈和結構在時間上被凍結。這張網的形式暗示了塑造它的神秘的原始力量。
“如果你想象歐洲粒子物理研究所的大型強子對撞機，并將其放大一萬億或一萬億萬億倍，這就是你在早期宇宙中實際運行的那種粒子對撞機，”奧利弗·菲爾考克斯告訴《生活科學》。"任何奇怪的事情發生，都會影響物質的分布."
探測大爆炸后物質的位置可以揭示在隨后的膨脹中發生的早期粒子相互作用，這是宇宙在短短幾分之一秒內以指數速度膨脹的時刻。菲爾科克斯說，如果我們將星系視為這些早期時刻的石化遺跡，我們就可以在超早期宇宙中尋找粒子物理學的線索。
“所以它有時被稱為‘宇宙對撞機’——就像整個宇宙規模的粒子對撞機，”菲爾考克斯補充道。
直到最近，由于理論和實驗的限制，研究我們宇宙如何演化的物理學家主要關注宇宙微波背景(CMB)——大爆炸的殘余輻射，作為2D圖像燃燒到天空的每個角落。這可以用一個簡單的定理來解釋，只包括線性項，叫做宇宙微擾理論。
然而，繪制宇宙網絡的能力越來越強，人們渴望了解暗物質和暗能量等神秘現象(目前的宇宙學無法解釋這兩種現象)，這促使物理學家直接關注網絡的大尺度結構。
繪制宇宙颶風的點狀圖
然而對這些巨大的結構進行天文制圖是很困難的。星系是由復雜的天體物理過程產生的，這些過程是由宇宙的膨脹和物質的坍縮塑造而成的。
例如，當大型結構相互靠近時，非線性效應，如男性化(當引力物體螺旋進入穩定軌道時)就會發生。當它們遠離時，宇宙膨脹的相對論效應會扭曲時空，也會擾亂線性方程式。
“一個很好的類比可以是水波。如果我們的宇宙是一個海洋，CMB波動就是其表面的微小波紋。米哈伊爾·伊萬諾夫在接受《現場科學》采訪時表示:“一個星系可能會引發海嘯或颶風。”。“水波紋可以很容易地用幾個世紀前發展起來的基本流體動力學來描述。本質上，這就是宇宙微擾理論。一場颶風是不可能用筆和紙來描述的，我們可以對它進行一些昂貴的計算機模擬，但它們具有很大的不確定性。”
為了避開這些數學逆風，研究人員一直在為一種稱為大規模結構有效場論(EFT)的理論做出貢獻，并建立了幾個統計工具來幫助他們分析星系如何相互作用。
由于描述早期宇宙的線性方程在宇宙尺度的兩端都不成立，EFT通過將星系簡化為點來平滑圖像，并在恰到好處的距離上觀察它們在宇宙中的位置，使我們對引力的兩個最佳描述(牛頓力學和廣義相對論)只需稍加調整即可適用。
研究EFT的理論家將這比作觀看一幅點彩畫:設定我們觀看宇宙的數量級，我們可以清楚地看到它——不要太靠近它的小規模混沌，也不要太遠以至于相對論扭曲。
《運河風景》( 1894)荷蘭-印度尼西亞畫家揚·圖羅普的一幅龐提利斯繪畫。(圖片鳴謝:uux.cn/Alamy)
這給了物理學家一個觀察宇宙的強有力的新工具，使他們能夠對宇宙最早期的起源做出可檢驗的預測。
“這些新想法可以為未來的星系調查產生新的科學案例，”馬爾科·西蒙諾維奇告訴《生活科學》。“隨著新數據在未來幾年開始到來，看到除了我們已經知道的以外，我們還能了解我們的宇宙，以及在這一過程中有什么驚喜在等待著我們，這肯定會非常令人興奮。”