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大爆炸还是大反弹?宇宙起源有新说

2017年04月27日 09:44 新浪综合

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  来源:科研圈公众号

  宇宙起源于大爆炸?其实还有一种可能:宇宙在大爆炸之前也是存在的,只不过它一直在收缩,后来由于某种原因发生“反弹”,转而进入膨胀的状态,演化为我们现在所知的世界。

  撰文 Sean Carroll(加州理工大学理论物理学家)

  翻译 金庄维

  审校 蔡一夫 李春龙(中国科学技术大学天文系)

  宇宙究竟是一直以来就有,并将一直膨胀下去?还是存在一个开端,在此之前没有时间的概念?很难说哪种方式更能解释我们的存在,或是哪种方式更令人难以理解。

  你也许觉得,宇宙起源问题早在20世纪就已经被标准大爆炸模型成功解决了。我们身处的宇宙一直在膨胀——遥远的星系仍在离我们远去。物理学家将这一现象解释为空间自身的拉伸。

  现在让我们倒序放映这部宇宙大片。随着时间推向过去,宇宙变得越来越热,也越来越致密。根据爱因斯坦的广义相对论方程,物质的温度和密度终将趋于无限大,那时,宇宙膨胀也变得无限快。我们将那个假想的时刻称为“大爆炸”。

  大爆炸时刻发生了什么

  我们可以说大爆炸是在某一时刻发生的,但不能说它是在空间上某一位置发生的。由于我们是在宇宙内部而不是宇宙外部进行观察,根据我们有限的经验,很容易认为它是在已有的空间中发生的爆炸。但这是不对的。从大爆炸那一刻起,空间才一下子出现,其密度与温度趋于无穷大,在此之后,随着空间的膨胀,宇宙不断冷却,变成今天的样子。

本文作者 Sean Carroll ? Getty本文作者 Sean Carroll ? Getty

  至少,宇宙学家就是这么告诉我们的。你常常听到他们说,大爆炸就是宇宙的起点,在此之前世间一片混沌。问“大爆炸从何而来”就好比问“北极之北在哪里?”不是我们不知道答案,而是这个问题似乎根本没有意义。

  真的没有意义吗?将大爆炸作为时间起点是广义相对论的预言,而不是观测到的事实。很难想象那时到底是什么样的,因为早期宇宙太热太密,就连光线都走不了太远——没跑多远就会撞上大量带电粒子,光子和这些粒子频繁地发生碰撞反应,就”跑不动“了。所以原初的宇宙就是黑漆漆一片。

  然而容易让人困惑的是,我们常常用“大爆炸”来指代两种截然不同的事物。第一种是上文所述假想的初始奇点;而第二种是“大爆炸模型”,它描述了宇宙从起始时刻开始的演化史。大爆炸模型认为,宇宙在百亿年前处于极端的状态——温度极高,物质密度极高且均匀分布在空间中。根据这个模型,随着宇宙的膨胀和冷却,引力将物质“拉拢”到一起才形成了恒星和星系。

大爆炸模型解释了宇宙自诞生以来的演化情况,它建立在牢固的观测基础之上,不容置疑。我们看到了星系退行;我们看到了星系和星团的形成;我们看到了大爆炸“核反应”遗留的元素;当然,我们还看到了大爆炸的“余晖”——微波背景辐射。

然而,我们对大爆炸时刻所知甚少。也许我们无法很快得到令人信服的答案,因为很难得到当时的实验证据。

  预言了“大爆炸”的广义相对论是物理学中的丰碑。广义相对论还做出过很多其他预言:从光线弯曲到最近发现的引力波,并且在实验检验中满分通过。但事实上,这个理论在引力方面并不完善,特别是在极端条件下——比如大爆炸。

  问题就在于广义相对论无法与量子力学“和平共处”。我们经常听到这样的说法:量子力学描述了很小尺度上发生的事件,比如亚原子领域的各种现象。但物理学家认为,量子力学在所有情况下都是准确的。宇宙早期的尺度很小,当时的量子力学效应当然很重要。但要解释量子力学如何融入大爆炸模型,广义相对论表示做不到。

  所以,当被问起大爆炸时刻发生了什么时,我们最好回答:不知道。

  当然,我们有相关的理论,物理学家也正致力于使这些理论更加精确、可验证。我们刚开始时提到的两种可能性——宇宙拥有一个开端,还是一直存在——都在热烈的讨论中。关于调和广义相对论和量子力学的新想法也有助于物理学家推进这些理论,给我们带来些许希望:也许某天我们能够充满信心地阐述大爆炸时刻发生了什么。 

  大爆炸之前

  宇宙为什么有可能是永恒的?鉴于我们对早期宇宙缺乏了解,有这样的疑惑也在情理之中。真正的知识应基于实在的证据,而不仅仅是猜想。在假想的“大爆炸”后几秒内,宇宙就像个核聚变反应堆,将核子转化为氦、锂、氘等轻元素。

  今天,我们通过测量宇宙深处这些轻元素的丰度,可以观测到这些早期反应的结果。测量结果和广义相对论以及传统宇宙学模型的预言吻合得相当好。早期宇宙的确极端致密,并且膨胀迅速。

  那么,既然这些都是真的,更早一些时,宇宙理应更加致密,膨胀得更快。几乎可以肯定的是,大爆炸附近的某个时刻发生了一些意料之外的事情。会是什么呢?

  最简单的答案是“反弹”。我们可以想像大爆炸之前,宇宙也是存在的,只不过它一直在收缩。而其微妙之处在于,由于某种原因,宇宙没有撞到一起变成密度无限大的诡异状态,而是发生“反弹”,转而进入膨胀的状态,演化为我们现在所知的世界。

  说得更清楚些,这样的反弹完全不符合我们已知的物理定律。但是作为科学家,我们承认我们并非完全了解终极定律,特别是在与日常经验相去甚远的极端条件下。所以,宇宙在过去也很有可能发生反弹。

  但是为什么呢?我们还是不知道,不过这并未阻碍理论物理学家通过丰富的想像力做出有理有据的猜测。有种简单的论调:我们对引力的理解还不够。当然,爱因斯坦的广义相对论通过了所有已有实验的验证,但是这些实验进行的环境与早期宇宙的极端条件完全不同。在足够致密的条件下,引力说不定不再是引力,而变成斥力。我们没有客观理由来认定它是对是错判断它的对错,但这确实是一种可能。

  量子力学中的无限可能

  也许我们应该做一个更加大胆的假设:量子力学改变了一切。量子力学与它的前辈,经典牛顿力学,的最明显差别在于,量子理论只允许我们预测系统处于某种状态的概率,我们无法提前知晓确切的结果。

  但是两者的区别远不止于此。经典的粒子拥有可被测量的位置和速度。但量子力学表示根本不存在“位置”和“速度”,我们认为的“位置”和“速度”只是用于观测、量度物理系统的人工产物。

  在量子力学中,真正存在的是波函数。波函数是一些由薛定谔方程演化而来的数学对象,我们可以通过波函数来计算实验中观测到某现象的概率。但是波函数不仅仅是用于计算的工具,它们是代表现实本身的最佳方式。

  波函数是我们用于确定系统所处状态的最完整方式,即便它们总是为不同的测量对象赋予不同的概率(不确定性)。在这一点上,我们应当注意,对量子力学的解释是公认的棘手问题,在细节方面大家的意见并不一致。

  量子力学中粒子的“位置”和“速度”并非基本概念,同样,“空间”本身也不是基本的。将“空间在膨胀”这一经典的陈述用量子语言改写后,就成了“宇宙的波函数是这样演化的:如果要测量宇宙的几何形态,我们很有可能观察到它是随时间膨胀的。”

  预言了大爆炸奇点的广义相对论是个经典的理论。然而不幸的是,我们没有能够取代广义相对论的完整量子理论,至少现在还没有。所以我们所能做的最好表述就是:“宇宙的波函数极有可能这样演化:如果测量它在大爆炸附近的行为,我们很有可能观察到它发生反弹。”

  或者,并没有。同样极有可能的是,量子力学允许宇宙拥有一个开端,即使这个开端比经典的大爆炸更让人匪夷所思。

  我们并非完全了解终极定律,特别是在与日常经验相去甚远的极端条件下。

  表面上看,薛定谔方程无可争议地主宰着波函数的演化:时间不断流逝,从无穷远的过去到无穷远的将来。但其中有个可能的漏洞:如果时间不是现实的基本要素……

  物理学家们在讨论这样一种情况:时间可能是“涌现”的。涌现是讨论宏观物体(就像桌子椅子)的有效方法,但它并不讨论更深层结构(比如组成桌椅的基本粒子、力)。从这种观点看来,我们所感受到“时间的流逝”并非真正基本的自然运作方式,而只是有效的近似。它反映了宇宙波函数各部分之间的联系。

  告诉我们波函数如何演化的薛定谔方程高度依赖于系统包含的能量。更恰当地说,方程依赖于系统可能所处的各个不同状态的能量(归根到底,这是量子“力学”)。高能态演化得快,低能态“悠哉”些,而零能态根本不发生演化。如果时间是涌现的而非基本的,那么宇宙的总能量很可能为零。这看起来很荒唐——包罗万物的宇宙中肯定会包含能量。

  别着急。如果仔细研究广义相对论的数学形式,你会发现时空不但是弯曲的,而且它的曲率还常常与负能量相关。所以零能量的宇宙是完全有可能的。具体而言,我们的宇宙从物质、辐射中获得正能量,但这些正能量被由时空曲率带来的负能量完全抵消。所以,宇宙的总能量恰好为零。

  如果真是这样,时间就可能是涌现的,存在一个时钟开始“滴答”的最早时刻——在那以前不存在时间的概念。那便是大爆炸发生的时刻。

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