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大爆炸前宇宙是否永恒存在 或已无可估量

  来源:互联网  发布时间:11-16

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  第一个图景是在弦论中发展起来的“循环宇宙”,由加拿大圆周理论物理研究所的尼尔 图罗克(Neil Turok)和普林斯顿大学的保尔 斯坦哈特(Paul Steinhardt)提出。

  在这幅图景中,我们的宇宙是镶嵌在更高维空间中的一个四维岛屿,或者说四维的“膜”。它与第二张膜频繁碰撞。你可以将这两张膜想象成两片相互平行的面包片,在第五维相互靠近,然后穿过对方,分开一段距离,接着又互相靠近。每当这两片膜接触,它们沿着第五维的巨大动能就转化成物质,并随之将其加热到极高的温度。在生活在其中一张膜上的观测者看来,这与一场大爆炸无异,而且能形成与今天的宇宙一样的微波背景辐射和星系分布图案。不过这是没有开端的大爆炸,因为这两张膜永远都处于碰撞循环之中。

  然而,维连金和米萨尼已经发现,循环宇宙不可能永无止境地向未来和过去延伸,因为在该理论中,每循环一次,膜就会膨胀一些,这意味着博尔德-古斯-维连金的开端判定理论仍然适用。维连金说,“如果你像电影倒带一样反转这一过程,循环宇宙要么会碰到一个奇点,要么就会有一个类似暴涨的开端。”

  维连金和米萨尼考察的另一个宇宙学图景,比循环宇宙和暴涨理论更为怪异,那就是南非开普敦大学的乔治 埃利斯(George Ellis)和英国朴茨茅斯大学的罗伊 马尔滕斯(Roy Maartens)设想出来的“涌现宇宙”(emergent universe)。它从一个很小的静态宇宙开始,这个宇宙已经存在了无限时间,直到某个时刻突然被触发而开始暴涨。弦论中的确会出现同样的情况,所以它并非完全是空穴来风,但用维连金的话说,“它多少有些剑走偏锋” 。

  要用模型描述一个从永恒午睡中突然醒来的宇宙,可不那么简单。就像爱因斯坦的静态宇宙因为不稳定而要用宇宙排斥来调和一样,埃利斯和马尔滕斯必须用两味怪异的调料来稳定他们的涌现宇宙:具有负能量的真空,还有被称为畴壁(domain wall)的时空中的假想线。畴壁是粒子物理学中某些模型所具有的性质,能在宇宙微波背景辐射中留下印痕,目前还没有观察到这样的印痕,但这也可以解释成印痕被暴涨抹平了。

  自发塌缩

  维连金和米萨尼对埃利斯和马尔滕斯的做法不以为然。“表面上看起来,他们调节出了一个稳定的宇宙,”维连金批评道,“但是,我们发现它仅在忽略量子效应时才稳定。”

  按照量子理论,宇宙不可能永远保持在最小尺寸,它有一定的概率会自发塌缩。“尽管这个概率非常非常小,但由于暴涨前的时间是无穷的,因此再小的概率也必然会发生,”维连金解释道,“换言之,如果我们生活在一个涌现宇宙中,它就不可能永恒存在过”。马尔滕斯认为,这种量子不稳定性“不无道理”,但是他认为这不一定就意味着宇宙必然有个开端。“这是一个很深刻的问题,需要一个成熟的量子引力理论才能解决,”马尔滕斯说,“不幸的是,我们还没有这样的理论。”

  不过维连金和米萨尼断言,在现有物理学的框架内,无论从什么角度来看我们的宇宙,它都不可能永恒存在过,因此开端是必然的。但它是如何开始的?在维连金看来,量子理论中包含着一个答案,因为量子理论允许东西从虚空中产生,那为什么就不能产生一个很小的宇宙,然后再开始暴涨、循环,或者沉寂很长时间后再突然暴涨呢?

  我们现在能确定无疑宇宙必然有一个开端了吗?还是说,这是一个信则有不信则无的理不清的循环?“有史以来,我们第一次拥有了能科学解答这个问题的各种工具”,维连金说,“所以我觉得我们正在逼近真相。”

  不过观测到这个终极起源的希望,正变得越来越渺茫。就在维连金和米萨尼发表他们的结果之后不久,美国斯坦福大学的伦纳德 萨斯坎德(Leonard Susskind)用两篇文章进行了回应。在这两篇文章中,萨斯坎德认为,即便宇宙确实存在一个开端,离现在也是久远之极,以至于无论从任何实际角度来看,宇宙都像是永恒存在一般。

  他给出的理由是,空间是指数暴涨的,随着时间的流逝,真空的体积会变得极其庞大。如果有更多其他宇宙泡泡存在,我们称之为宇宙的这个真空泡,就不太可能是早期形成的。因此真正的开端很可能远到天荒地老,远到不可能在我们这个宇宙中留下任何印记。萨斯坎德说:“我发现,宇宙必定有一个开端这种说法有些模棱两可,但可以肯定的是,就算有,其时间之早也无可估量。”

  维连金也承认这一点。“这可真讽刺,”他说,“宇宙必定有个开端,但我们永远也无法弄清楚它究竟是如何开始的。”

  尽管如此,宇宙学家还有很多其他的大问题可以围着团团转。如果宇宙的开端来自量子效应,那么量子理论必定在宇宙开始之前就业已存在,于是问题来了:那量子理论又从何而来呢?“我们不知道,”维连金承认,“我认为这是一个完全不同的问题。”即便找到宇宙萌生的那一刻,我们会发现,很多问题真的才刚刚开始。

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