大爆炸前的宇宙是怎样的

常有人问:“大爆炸之前的宇宙是怎样的?”

根据霍金的奇点定理,回答总是:“不存在大爆炸之前。宇宙连同空间、时间及其物质和能量都诞生于大爆炸时密度和曲率无限大的奇点。”不过,暴胀宇宙理论的提出和暗能量的发现突破了奇点定理,所以这个回答不一定正确。那么除此以外,还有哪些可能呢?

这是个高度猜测性的命题,科学家设想了许多模型。下面举几个有趣的例子。

首先是循环宇宙的模型。爱因斯坦在20世纪30年代曾经认为,宇宙在膨胀和收缩—或者说大爆炸和大挤压之间进行循环,这就是循环宇宙或者振荡宇宙。在这种模型中,宇宙会在大挤压中结束,然后就像神话中在灰烬里重生的凤凰,每次大挤压后又重新发生大爆炸,开始新的一轮膨胀与收缩。但是,美国物理学家托尔曼提出了疑问:按照热力学的“熵增加原理”,这样的循环每进行一次,循环的周期和幅度必须变得更长、更大。倒过来看,前一次的循环就一定更短、更小,结果似乎回到了大爆炸的奇点。目前还很难确定这种循环会不会发生,会以怎样的形式发生。因为用来描述宇宙演化的理论主要是引力理论,当宇宙变得非常小时,必须同时考虑量子效应,这就需要首先发展出一套完备的量子引力理论。

近几十年来,一种量子引力的候选理论——超弦理论悄悄兴起。建立在弦论基础上的循环宇宙开始流行,这就是膜宇宙模型。弦论允许我们将宇宙描述成高维空间中的一张三维膜。这张膜可能会跟另一张完全平行的膜发生周期性的碰撞和反弹,碰撞过程类似于大爆炸,但不会产生无穷大的奇点问题。碰撞释放的能量转化成基本粒子,然后逐渐演化出各种天体结构,甚至智慧生命。但每一次碰撞都会把上一轮宇宙中的一切结构统统抹去,于是宇宙在碰撞和反弹之间一次次循环。

还有一种有趣的模型就是混沌暴胀模型。现在的天文观测表明,宇宙在诞生之初很可能经历了一次暴胀,然后逐渐安静下来,产生了众多的星系乃至人类本身。但是,物理学家林德在1986年提出,暴胀一旦发生,就永远无法停止。因为暴胀会让空间急速膨胀,随着空间迅速变大,无处不在的量子涨落可能会引发空间的局部发生新的暴胀,进而让这部分空间变得更大,然后又在其中的某个地方引发新的暴胀。在这样的模型中,永恒的暴胀就像一锅沸腾的开水,我们的宇宙只是其中一个气泡。这个气泡幸运地停止了暴胀,最终演化成一个有血有肉的宇宙。这个宇宙之外,可能还存在别的气泡宇宙,这样的气泡还在不断地冒出、长大。逆着时间往回看,我们的宇宙可以追溯到一次暴胀,而这次暴胀又可以追溯到另一次暴胀。这个追溯过程也许可以无限地进行下去。

从弦论观点来看,世界可能是由弦组成的

关于大爆炸之前,理论家们各执一词。人们希望从宇宙微波背景辐射的精确测量中获得更多信息,用来甄别理论的真伪。且看谁会笑到最后。

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