大爆炸前的宇宙是怎樣的?
根據霍金的奇點定理,回答總是:“不存在大爆炸之前。宇宙連同空間、時間及其物質和能量都誕生於大爆炸時密度和曲率無限大的奇點。”
常有人問:“大爆炸之前的宇宙是怎樣的?”
根據霍金的奇點定理,回答總是:“不存在大爆炸之前。宇宙連同空間、時間及其物質和能量都誕生於大爆炸時密度和曲率無限大的奇點。”不過,暴脹宇宙理論的提出和暗能量的發現突破了奇點定理,所以這個回答不一定正確。那麼除此以外,還有哪些可能呢?
這是個高度猜測性的命題,科學家設想了許多模型。下面舉幾個有趣的例子。
首先是循環宇宙的模型。愛因斯坦在20世紀30年代曾經認爲,宇宙在膨脹和收縮—或者說大爆炸和大擠壓之間進行循環,這就是循環宇宙或者振盪宇宙。在這種模型中,宇宙會在大擠壓中結束,然後就像神話中在灰燼裏重生的鳳凰,每次大擠壓後又重新發生大爆炸,開始新的一輪膨脹與收縮。但是,美國物理學家托爾曼提出了疑問:按照熱力學的“熵增加原理”,這樣的循環每進行一次,循環的週期和幅度必須變得更長、更大。倒過來看,前一次的循環就一定更短、更小,結果似乎回到了大爆炸的奇點。目前還很難確定這種循環會不會發生,會以怎樣的形式發生。因爲用來描述宇宙演化的理論主要是引力理論,當宇宙變得非常小時,必須同時考慮量子效應,這就需要首先發展出一套完備的量子引力理論。
近幾十年來,一種量子引力的候選理論——超弦理論悄悄興起。建立在弦論基礎上的循環宇宙開始流行,這就是膜宇宙模型。弦論允許我們將宇宙描述成高維空間中的一張三維膜。這張膜可能會跟另一張完全平行的膜發生週期性的碰撞和反彈,碰撞過程類似於大爆炸,但不會產生無窮大的奇點問題。碰撞釋放的能量轉化成基本粒子,然後逐漸演化出各種天體結構,甚至智慧生命。但每一次碰撞都會把上一輪宇宙中的一切結構統統抹去,於是宇宙在碰撞和反彈之間一次次循環。
還有一種有趣的模型就是混沌暴脹模型。現在的天文觀測表明,宇宙在誕生之初很可能經歷了一次暴脹,然後逐漸安靜下來,產生了衆多的星系乃至人類本身。但是,物理學家林德在1986年提出,暴脹一旦發生,就永遠無法停止。因爲暴脹會讓空間急速膨脹,隨着空間迅速變大,無處不在的量子漲落可能會引發空間的局部發生新的暴脹,進而讓這部分空間變得更大,然後又在其中的某個地方引發新的暴脹。在這樣的模型中,永恆的暴脹就像一鍋沸騰的開水,我們的宇宙只是其中一個氣泡。這個氣泡幸運地停止了暴脹,最終演化成一個有血有肉的宇宙。這個宇宙之外,可能還存在別的氣泡宇宙,這樣的氣泡還在不斷地冒出、長大。逆着時間往回看,我們的宇宙可以追溯到一次暴脹,而這次暴脹又可以追溯到另一次暴脹。這個追溯過程也許可以無限地進行下去。
關於大爆炸之前,理論家們各執一詞。人們希望從宇宙微波背景輻射的精確測量中獲得更多資訊,用來甄別理論的真僞。且看誰會笑到最後。
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