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【js55658】宇宙大爆炸之前发生了什么?

2019-10-09 16:52

物理学巨匠史蒂芬?霍金。霍金的研究对现代宇宙学产生巨大影响,他的身残志坚让全世界肃然起敬

对于能够观测到的事物,物理学家表现得更为自信。宇宙微波背景是望远镜能够观测到最古老的事物。它们是大爆炸的“回声”,可以借助射电望远镜进行测算和测绘。宇宙微波背景在大爆炸后38万年出现。我们并不知道之前的宇宙模样。

膨胀、多元宇宙和镜像宇宙

我们都听说过这样的理论,宇宙开始于大爆炸。关于宇宙和大爆炸,科学家提出了一系列疑问。但如果大爆炸并不是起点呢?是否存在一个早期版本的宇宙,拥有自己的恒星和星系?在我们生存的宇宙之前,是否存在一个有生命居住的宇宙?也许,本就存在无数个宇宙,不停开枝散叶,从而创造出更多的宇宙。如果是这种情况,再去探究整个宇宙阵列如何产生,是否还有意义?

不列颠哥伦比亚大学物理学家道格拉斯·斯科特指出:“如果有人能够证明宇宙微波背景中的某些特殊模式就是宇宙经历一系列循环的证据,无疑是一项非常引人注目和令人兴奋的发现。不幸的是,彭罗斯的论文并没有做到这一点。”

大爆炸孕育了宇宙

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2013年,英国物理学家朱利安·巴伯、新布伦瑞克大学的蒂姆·克斯罗斯基和圆周理论物理研究所的弗拉维欧·莫尔加迪提出了一项脑洞大开的理论。他们对简单的粒子集合进行了电脑模拟,观察长期内它们在引力作用下的行为。(想象一下,宇宙只存在1000个弹球,除此之外再无其它,弹球之间彼此吸引。)

没有人知道宇宙膨胀由何种因素导致。一些物理学家——包括斯坦福大学的安德烈·林德——认为不管何种因素导致了膨胀,都不会只发生一次,进而孕育出多元宇宙。如果“永恒膨胀”理论是正确的,宇宙会不断“发芽”,生长出新的宇宙,就像沸水中的气泡一样。

哪些理论值得进一步研究?物理学家将继续争论下去。将我们的宇宙解释为一个早期宇宙的产物虽然很吸引眼球,但这个早期宇宙又是如何产生?霍洛泽克说:“以宇宙反弹理论为例,宇宙是否会永远反弹?如果是的话,反弹又是如何开始?”

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利用欧州航天局的普朗克卫星所获数据绘制的全天地图,展示了大爆炸后约38万年的微波背景辐射

讨论“之前”没有意义?

大爆炸是一次独一无二的“创世事件”,发生在138亿年前

数学物理学家罗杰?彭罗斯提出了“共形循环宇宙学”,认为大爆炸重复发生

大爆炸后宇宙迅速膨胀

在试图解答这些疑问时,科学家遭遇物理学定律的极限。现有的理论能够解释宇宙诞生后瞬间——即大爆炸后不到一秒钟——到现在的演化。大爆炸之前又是什么呢?这成为困扰宇宙学家的最大谜团之一。多伦多大学物理学家和宇宙学家蕾妮·霍洛泽克表示:“我参加了不少相关研讨会。会上我们就此问题会产生数小时的激烈争论。”

与宇宙大反弹或者多元宇宙理论相比,另一种可能性就没那么复杂,即大爆炸就是时间起点。如果是这种情况,也就不存在“大爆炸之前”这个问题。在1988年的畅销书《时间简史》中,史蒂芬?霍金提出了这种观点。霍金认为讨论“大爆炸之前”就像在讨论“南极之南”。“在地球上,没有比南极点更南的点。大爆炸之前的状态很难想象,大爆炸之前也许就没有时间存在。”

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大爆炸孕育宇宙是一个可信的理论,但并没有解释“时间起点”之前的状态。鉴于此,科学家提出了一系列相互竞争的理论,但每一项理论都只停留在猜测层面。霍洛泽克说:“我认为有时候我们应该坦诚一点,不妨就说‘我会用毕生的努力探求这个问题的答案,但我真的不知道能否找到答案’。”

2018年秋季,彭罗斯进一步推进他的理论,认为前宇宙的证据可能存在于宇宙微波背景之中。通过仔细分析射电望远镜的观测数据,我们能够发现这些“泄密印记”。其他物理学家对此持怀疑态度。2010年彭罗斯提出类似观点时,他们同样投以怀疑的目光。

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暗能量导致宇宙加速膨胀

在斯泰恩哈特和图洛克阐述的模型中,宇宙周期性对撞,每一次撞击就是一场新的大爆炸。标准大爆炸模型认为只存在一个“创世时刻”,他们的模型以及彭罗斯的理论则认为我们生存的一个被制造出来的宇宙,宇宙的再造将永远持续下去。

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他们的电脑模型阐述的景象与我们观测到的膨胀宇宙类似,但他们描述的是一种镜像宇宙,时间朝着相反的方向流动。两位科学家将分割线称之为“雅努斯点”。雅努斯是罗马神话中的双面神。巴伯在2016年接受《Quartz》采访时表示:“如果这个理论是正确的,大爆炸的另一侧存在另一个宇宙,时间流动的方向与我们相反。”

大爆炸还是大反弹?

不断膨胀的宇宙

彭罗斯并不是第一位提出大爆炸并非时间起点,或者认为存在其它宇宙的科学家。2001年,普林斯顿大学的保罗·斯泰恩哈特和圆周理论物理研究所的尼尔·图洛克提出了循环宇宙模型。这个模型由所谓的M-理论推导,后者是一种弦理论,认为物质由微小的振动弦构成,而不是粒子。在循环宇宙模型中,我们的宇宙只是存在于一个高维空间的众多宇宙中的一个。这个高维空间被称之为“超体”。

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霍洛泽克表示:“我只能对我能够看到的事物进行探测。在宇宙微波背景出现前,宇宙一片混浊。”天文学家的观测存在极限,但理论学家的想象并没有极限。作为世界上最伟大的理论物理学家之一,牛津大学的罗杰?彭罗斯提出了“共形循环宇宙学”,认为大爆炸重复发生。他指出大爆炸可能只是一个“反弹”,即从一个更早期的塌陷宇宙到我们所在的膨胀宇宙的过渡。

除了斯泰恩哈特和图洛克,其他一些科学家也认为我们生活在一个多元宇宙。几乎可以确定的是,在多元宇宙,大爆炸并非时间的起点。宇宙膨胀理论也提出类似观点。这项理论可追溯到上世纪80年代初,其核心观点被当今物理学家普遍接受。膨胀理论认为宇宙在大爆炸后瞬间急剧膨胀,最初的宇宙可能只有葡萄柚大小。

随着大爆炸的一声巨响,宇宙诞生。大爆炸之前又发生了什么呢?没有人知道答案。一些物理学家提出了所谓的“循环模型”,认为存在于更高维度空间的“膜”周期性对撞,形成与大爆炸有关的环境。还有的物理学家提出了“共形循环宇宙学”,认为大爆炸重复发生。但这些理论基本上都停留在猜测层面。

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