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是谁触发了“大爆炸”？
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Bruce Dorminey 文 Shea 编译 |
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天文学家对于宇宙自诞生以来是如何演化的有着很好的认识。但在宇宙诞生之前又是什么样的呢？ 与火箭倒计时发射不同，宇宙似乎并不存在这一“前奏”。相反，“大爆炸”这一宇宙学家嘴上并不精确的称谓说的是，宇宙是从一个即使是爱因斯坦也无从下手的高温、高密的无穷小点中喷涌而出的。 现在这个时空奇点正是传统宇宙学理论的开端之地。科学家们长久以来就一直认为，揣测在时钟开始滴答前发生了什么不仅毫无意义而且没有希望。 然而，在过去的几十年里，理论物理学家们一直在争论可以避开奇点的有关大爆炸的新解释。例如，在“永恒暴涨”理论中，宇宙会疯狂地膨胀并繁殖出无穷多个“泡宇宙”。 此外还有循环模型，它认为我们的宇宙产生自两个平行“膜世界”的碰撞；这样的碰撞和宇宙之后的重生会规则而无止尽地反复进行。另一些观点则提出，通过膨胀、收缩、坍缩进而导致宇宙反弹开始新一轮的膨胀，一个无穷的圈量子宇宙在不断地循环。 但问题是上面的这三种机制又是因何而开始的呢？目前还在激烈地争论中，部分原因是设计来平息这些争论的实验还没有取得实质性的进展。 虽然有各种各样的想法，但对于在极早期的宇宙中发生了什么科学家们还没有一幅标准图像。我们知道宇宙膨胀自一个高温、高密状态，然而一个永远的问题是：如果我们这一膨胀往回推会发生什么？ 标准理论告诉我们，在大爆炸之后宇宙膨胀并快速地冷却。天文学家估计在创生之后1秒原始火球的温度可以达到极端的150亿开。到宇宙诞生后38万年时，温度则下降到了不到3,000开。此时电子和质子会组合起来，由此形成的氢原子使得光可以第一次在宇宙中畅通无阻地传播。我们今天看到的宇宙微波背景辐射就是其在2.73开（比绝对零度高出2.73摄氏度）温度下所发出的辉光。 这同时也是宇宙学家从地面和空间使用诸如美国宇航局已经退役的威尔金森微波各向异性探测器和欧洲空间局现役的普朗克卫星所观测的辐射。虽然它们可以回溯大爆炸之后不久宇宙的状态，但是仍无法回答到底是什么引发了大爆炸。  永恒暴涨 20世纪80年代初，有理论物理学家首次提出，作为“量子涨落”的产品，宇宙可以诞生自虚无。对此，甚至许多天体物理学家都觉得奇异。对于沉浸在研究银河系和太阳系是如何演化成宜居的绿洲的科学家而言，量子随机性从哲学上就没有什么吸引力。 然而，在微观层面，我们的世界却是由量子力学所描述的。在最小的尺度上，空间和时间不再平滑。由于量子涨落，某些东西会突然出现或者消失。在量子力学中，只要是不被禁忌的事件都会以一定的概率发生。从虚无中创生某样东西确实不同寻常，不过习惯了就好。 1981年暴涨理论问世，它提出在极早期宇宙经历了极为短暂的指数式超光速膨胀。这有助于解释宇宙目前的大小、膨胀、均匀性以及几何上的平直性。 然而，在暴涨之前，整个宇宙都被束缚在一个比质子还要小几十亿倍的区域中。在合适的条件下，仅1毫克的物质就能创生出一个永恒的、能自我复制的宇宙。这样的暴涨宇宙会具有从各个地方冒出来的大型泡宇宙，我们目前就居住在其中一个里面。其中一些可能具有如我们所知的适宜生命的物理规律，而另一些则可能完全不适合生命。 有宇宙学家认为，永恒暴涨以及泡宇宙的观点也许是自哥白尼日心说以来最重要的想法，但同时也是“最大的麻烦”。由于量子涨落永远存在，于是永恒暴涨会永远进行下去。这样一来它就成了一个完全没有用的理论，因为它无法预言而且还会产生无穷多种可能性。谁会想要一个“一切皆有可能”的理论呢？  [图片说明]：永恒暴涨会形成各式各样、拥有不同物理学规律的泡宇宙，其中一些还会出现生命。 循环宇宙 为此，在弦理论的鼓舞下，“宇宙循环模型”应运而生。它认为我们整个的三维宇宙就是一个“膜世界”（简称“膜”）。我们所在的膜和另一个膜之间的距离尚不足一个原子的大小，但位于两者之间的是一道第四维的鸿沟，因此另一个膜被永远地隐藏了起来。 在循环模型中，传统意义上的大爆炸是两个膜碰撞的结果。因而大爆炸不再是时间和空间的起点，而是最近一次膜碰撞发生的时间。之前发生过的此类碰撞原则上可以有无穷多次，或者它有一个起点然后周而复始。每一次循环持续的时间大约是一万亿年，因此我们目前的宇宙可能刚刚只走了这个循环的1%。 作为每一个循环的开始，碰撞的膜会产生一次高温物质和辐射的爆发。随着膜在碰撞后彼此远离，它们会沿着自身的三个维度拉伸。宇宙随即膨胀并冷却，物质聚集成了我们今天看见的星系和星系团。 最终，宇宙的能量密度超过了物质密度，膨胀开始加速。这解释了我们目前所在的加速膨胀宇宙。然而，在这个循环模型中，驱动宇宙加速膨胀的暗能量在返回膜进入均匀状态之后最终会衰减。 暗能量的消退导致膨胀减速，两个膜随即开始彼此靠近。这为下一次的碰撞和大爆炸奠定了基础。由于始于均匀的膜，于是在这个模型中暴涨并不是必需的。 如果我们遥远未来的子孙在另一个恒星系统即将见证这一碰撞的话，他们也许只有很少的时间来搞清楚将会发生些什么。你不会看见另一个膜，也不会看见膜之间的碰撞，但你会看到空间中充满了极为炙热的物质和辐射。 不过，循环模型也有其自身的弱点，对其最大的批评是还没有一个理论可以来描述膜的碰撞反弹。在膜碰撞之后继续往下传递的信息包括了空间在几何上是平直的；宇宙在大尺度上是均匀；高温物质也会均匀地分布。但有关你、我、地球等等的详细信息都会被抹掉。  [图片说明]：在循环模型中，两个膜世界之间的碰撞引发了大爆炸。 圈量子宇宙学 循环模型不是唯一会涉及宇宙反弹的想法。在过去的十年中，圈量子宇宙学出现在了科学家们的视野中。和用弦理论来作为循环宇宙的基石不同，它的基础是圈量子引力理论。这个理论试图统一广义相对论和量子力学。 从另一个角度来说，圈量子宇宙学是想利用量子引力来尝试解决大爆炸的奇点问题。在这个模型中，大爆炸是由更早的宇宙剧烈收缩所引发的高密度瞬时状态。是什么导致了这一收缩目前还不清楚，但它只有两种可能：一是前一个宇宙的整体或者大部分区域发生坍缩，另一个是在大爆炸之前就已经存在一个极端致密的状态。 科学家们在1990年左右发展出了量子引力这个概念。为了把量子力学和广义相对论结合起来，这个模型要求空间具有一个被称为“时空原子”或者“空间原子”的一维亚结构。 经典的大爆炸宇宙学描述了宇宙膨胀是如何拉伸时空的。然而当空间由空间原子构成的时候，这一拉伸就不再是连续的了，在有新的空间原子形成的时候会发生量子跳跃。这些空间原子构建了空间，普通的物质原子就在其上面运动。 没有了这些亚结构，能塞入给定区域的物质总和就可以没有上限，这是在广义相对论中的常见问题：密度会变得越来越大，最终达到无穷大，导致整个理论失效。 但是在圈量子宇宙学中，当宇宙坍缩的到在一个质子的体积中能容下一万亿个太阳质量的时候，密度就会抵达它的上限。自此，宇宙就会反弹并再次膨胀。 除非密度和温度过高，否则这一宇宙坍缩不会影响星系或者是尺度更小的结构。在绝大部分的时间里，其唯一的效果是我们会看到遥远的恒星和星系都在朝向我们运动（而非远离）。在坍缩的最后几十万年里，不会有我们已知的生命形式存在。那时，原子都会被电离，即便是原子核也会离解成质子和中子。 如果宇宙会进行下一轮坍缩的话，那它还要花数十亿年的时间，也可能比宇宙目前的年龄还要长。这其中可能只有一个循环，也可能有一系列的循环。 圈量子宇宙学也提出在早期会出现由超高密度和使得宇宙重新膨胀的斥力所驱动的某种形式的暴涨。如果这个想法确实能奏效的话，它可以一举解决两个问题：消除先于标准暴涨的大爆炸并为驱动暴涨提供一个自然的机制。  [图片说明]：圈量子宇宙学预言大爆炸产生自前一个宇宙的坍缩及进而的反弹。 检验理论 虽然描述大爆炸之前的时间看似是一场物理和数学的游戏，但观测宇宙学家们却并没有游离在此之外。 如果我们被一个具有更高真空能的泡宇宙撞上，在碰撞之后它会转向并退去。但如果这是一个低能泡宇宙，它就会继续前进并摧毁一切挡住它去路的东西。由于它的速度接近光速，在没有警告的情况下，我们就会蒸发。 即便这一世界末日理论可能只是噱头，但泡宇宙之间的碰撞确实有可能在微波背景辐射的噪音水平之上留下一个边缘锐利的低温斑点。 最近有科学家宣布，在对微波背景辐射的分析中可能探测到了这一迹象。虽然他们还没有决定性的证据，但是却发现了一些和泡宇宙相撞有关的线索，而未来普朗克卫星的数据将会为此提供更多的信息。 那么这些碰撞发生的概率有多大呢？这取决于新生泡宇宙的形成率，而这恰恰具有很大的不确定性。有可能泡宇宙的形成率非常低，于是在整个可观测宇宙中都不存在泡宇宙间的碰撞；或者另一个泡宇宙已经侵入了我们，而我们可能还尚未知晓。  与此同时，观测宇宙学家们也在竞相验证经典的暴涨理论。在暴涨中，引力波有可能会被冻结在时空几何里。这些引力波十分巨大，足以影响微波背景辐射的角分布。由引力波产生的这一偏振模式被称为“B模偏振”，它是暴涨强有力的佐证。 如果观测宇宙学家探测到了B模偏振，循环宇宙模型就会被排除。但循环模型的支持者认为，即便观测没有发现这一偏振，暴涨理论的支持者也会继续为它添加新的元素而使其和观测结果相容；但循环模型在一开始就预言，你不应该看到B模偏振。 在未来几年内会有大约十几个地面和三个搭载在气球上的仪器设备来搜寻B模偏振，而普朗克卫星的宇宙学结果则会在2013年公布。但是“普朗克”无法对微波背景辐射的偏振下一个明确的结论，这需要一个专门的卫星。科学家们希望美国宇航局未来的爱因斯坦暴涨探测器能担此重任。 然而，并不是所有的科学家都摒住了呼吸来等待这一爆炸性的结果。有人就认为，这至少还要再花上半个世纪才能解决所有有关大爆炸前的问题。但不管怎样，这些答案几乎无疑会涉及到超越广义相对论的理论，因为爱因斯坦的这一杰作无法越过大爆炸的奇点。 这些下一代的物理学会试图回答一些迄今最为基本的问题，例如为什么宇宙中会有物质而非空无一物？我们目前还不清楚科学是否能回答这样的问题。但是如果你想成为一名宇宙学家的话，你还必须要是一个乐观主义者。 |
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[Astronomy 2011年10月]
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