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宇宙大爆炸之前到底发生了什么?

作者:BigLoser    阅读数:50    投票数:0   
更新时间:2020-05-29 15:05:19   

北京时间5月6日消息,据国外媒体报道,过去几十年来,物理学家告诉我们,一开始宇宙处于密度和温度都无限高的状态,可以想象成一个无限稠密的小球体;然后,这个小球体爆炸了,产生了我们今天看到的原子、分子、恒星和星系。

但最近,新的理论物理学研究发现了一扇通向极早期宇宙的可能窗口,并指出这段时期可能根本就不是真正的“极早期”。相反,这可能只是最近一次“爆炸—反弹”周期的一部分。这样的循环至少出现过一次,并可能永远持续下去。

当然,在物理学家决定抛弃大爆炸而选择“大爆炸-反弹”周期之前,这些理论预测还需要经过大量的观察检验。

 

大爆炸理论

 

科学家对早期宇宙已经有了很好的认识,这就是我们熟知并广为接受的大爆炸理论。在这个模型中,很久以前的宇宙比现在小得多,热得多,密度也大得多。在138亿年前的早期宇宙中,构成我们今天所有一切的元素都是在大约12分钟内形成的。

大爆炸理论认为,甚至在更早的时候,在某一时刻,整个宇宙(包含所有的恒星,所有的星系,所有的一切)只有一个桃子那么大,而温度超过千万亿度。

令人惊讶的是,目前所有的观察结果都证实了这个奇幻的故事。天文学家做了各种各样的工作,从观测年轻宇宙遗留下来的电磁辐射,到测量最轻元素的丰度,结果发现它们都符合大爆炸理论的预测。就我们所知,这是目前对早期宇宙的最准确写照。

尽管如此,我们知道大爆炸理论的框架并不完整——有一块拼图不见了,而那块拼图就是宇宙本身最早的时刻。

这是宇宙最大的谜题之一。

 

火宇宙

 

问题在于,我们用来理解早期宇宙的物理学(广义相对论和高能粒子物理学的奇妙而复杂的大杂烩)只能把我们带到大爆炸那一刻。当我们试图把宇宙的最初时刻再向前推时,数学变得越来越难解,直到无法适用。

物理学家尚未探索的一个重要问题是在大爆炸开始时存在的“奇点”,或一个密度无穷大的点。从表面上看,这告诉我们,在某一时刻,宇宙被塞进了一个体积无限小、密度无限大的点。这显然是荒谬的,其真正代表的含义是,我们需要新的物理学来解决这个问题——目前的理论工具还不够好。

为了破解这一难题,我们需要一些新的物理学工具,一些能够在超高能量下处理引力和其他力的东西。这正是弦理论所主张的,它可以作为一种能够在超高能量下处理引力和其他力的物理模型。换言之,弦理论声称可以解释宇宙的最初时刻。

最早的弦理论概念之一是“火宇宙”(ekpyrotic universe),这个词来自希腊文,意为“大火”。在这一概念下,我们所知道的大爆炸是由在它之前发生的其他事件引发的——大爆炸不是开始,而是一个更大过程的一部分。

“火宇宙”的概念扩展之后,又产生了一种被弦理论激发的理论——循环宇宙(cyclic cosmology)。从技术上讲,宇宙不断循环往复的概念已经有几千年的历史了,比物理学还早,但弦理论为这个想法奠定了坚实的数学基础。正如一般想象的那样,这个“循环宇宙”不断在大爆炸和大挤压(big crunch)之间反弹,可能是回到过去的永恒,也可能是进入未来的永恒。

按照大反弹理论,每次循环都以一个平滑的小宇宙开始,但不可能像奇点那么小;之后,这个小宇宙逐渐扩张,变得越来越大,越来越扭曲,达到一定程度后开始坍缩,同时变得越来越平滑,最终缩小到开始时的体积;接着又重新开始同样的循环。

 

在初始之前

 

“循环宇宙”理论听起来很酷,但早期的数学模型很难匹配观测结果。当我们真正尝试做科学研究时,这是非常重要的一个问题。

最主要的障碍在于如何与宇宙微波背景的观测结果相吻合。宇宙微波背景是宇宙诞生38万年时遗留下来的热辐射,被称为“宇宙中最古老的光”。尽管我们不能直接观测到宇宙微波背景之前的一切,但如果想从理论上着手对早期宇宙的物理学进行修补,就会影响到这些“余光”的模式。

因此,循环宇宙似乎是一个简洁但不正确的概念。但是,多年以来,科学家们一直怀揣着“火宇宙”理论的种子。在2020年1月发表在arXiv数据库上的一篇论文中,加拿大麦吉尔大学的物理学家罗伯特·布兰登贝格尔(Robert Brandenberger)等研究者探索了该理论的数学难题,并发现了一些此前没注意的因素。他们发现,在“反弹”的时刻,即当宇宙收缩到一个极小的点并回到大爆炸状态时,可以使理论预测与观测检验的结果达成一致。

换句话说,尽管这个关键时期的物理学非常复杂(而且了解还很有限),但确实会让我们对宇宙的时间和位置有一个根本性的修正。当然,要完全检验这个模型,我们还必须等待新一代的宇宙学实验。在那之前,“宇宙诞生之前是什么”还将是一个无解的问题。

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