大爆炸之前：宇宙是否永恒存在

时间：2017-02-15 13:50:26来源：本站整理阅读：124

导读：宇宙是一直存在的吗？近些年来，物理学中的一些大牛为此争论不休，有些认为无论我们回溯多久，宇宙都一直存在，还有一些人则持相反意见，认为一定有什么事件发生，导致了宇宙的创生。我们的宇宙始于137亿年的大爆炸，在那之前呢？宇宙是有一个开端，还是永恒存在着？下面就和小编去了解一下吧。

　　正如所有的大问题一样，宇宙的起源问题很难回答。宇宙是一直存在的吗？近些年来，物理学中的一些大牛为此争论不休，有些认为无论我们回溯多久，宇宙都一直存在，还有一些人则持相反意见，认为一定有什么事件发生，导致了宇宙的创生。双方都声称，观测证据支持自己的看法，所以定论似乎一直都遥不可及。但是2012年年初，宇宙学家亚历克斯维连金和奥德丽米萨尼声称，他们结束了这场争论。他们发现了宇宙不可能一直存在的原因。不过大自然总是有予有夺，尽管宇宙必定存在一个开始，但其肇始的真相可能已经迷失在了时间的迷雾之中。

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　　现代宇宙学始于1916年，当时爱因斯坦将他新建立的引力理论——广义相对论，应用于他能想到的最大引力质量——整个宇宙。像牛顿一样，爱因斯坦偏爱一个不变的宇宙，一个永恒存在从而无始无终的宇宙。要想得到这样的宇宙，爱因斯坦意识到，为了抵抗使宇宙万物相互吸引靠近的引力，空间本身必须存在一种怪异的排斥。不幸的是，爱因斯坦的静态宇宙仍然不稳定。就像英国物理学家阿瑟爱丁顿后来指出的，这样的宇宙乃是平衡在无限膨胀和无限收缩间的刀锋之上。进一步的撼动来自于1929年，美国天文学家埃德温哈勃观察到，星系如一个个宇宙飞镖般相互远离，结论是我们的宇宙正在膨胀。

　　但是如果宇宙正在膨胀，一个自然而然的推论就是，它过去一定比现在小。如果我们如此一路反演下去，最终在某个很早的时刻，所有物质挤压在一个极小的体积中——这就是大爆炸。由此发展出的大爆炸理论，描述了宇宙自一个极热、致密的状态演化到今天的过程，但对于是什么导致了大爆炸，这个理论只字未提。这一直是一个悬而未决的问题，大爆炸之前究竟发生了什么？宇宙真的存在一个开端吗？可以想见，在这种情况下，对永恒宇宙理论的呼声越来越高，主要就在于它能避免诸如起源之前这样的尴尬问题。1948年，弗雷德霍伊尔、赫尔曼庞蒂和汤米戈尔德提出，随着宇宙的膨胀，星系间的空隙中不断喷涌出新的物质，进而形成新的星系。

　　永恒的裂痕

　　对稳恒态宇宙的进一步质疑来自理论分析。上世纪60年代，罗杰彭罗斯和史蒂芬霍金还是英国剑桥大学的两个搞理论的年轻小伙儿。他们的工作表明，如果你将宇宙的膨胀进行反演，最终不可避免会达到一个点。这个点被称为奇点，因为诸如密度和温度这样的物理参数，在这一点会直逼无穷。更糟糕的是，物理学在此分崩离析，我们无法预言奇点背后有些什么。按照彭罗斯和霍金的理论，大爆炸是宇宙确确实实的开端。那么，故事结束了吗？当然没有。后来的研究发现，彭罗斯和霍金的奇点理论中隐藏着一个缺陷。按照牛顿理论，物体的引力大小只取决于质量，爱因斯坦的洞见则昭示出，引力还依赖于物体的能量密度及其内部压力。

　　后者至关重要，因为在推导他们的理论时，彭罗斯和霍金假设空间的压力一直很小，而且始终是正值。但要是这个假设不成立呢？“仅此一点就打开了通向各种现代宇宙学理论的大门，它们压根不把大爆炸视为宇宙开端，”维连金说，“首当其冲的就是暴涨理论。”宇宙或许就像一片永恒沸腾的海洋，每一处都不断有气泡出现和扩张，而我们就处在一个137亿年前产生的大气泡中。在维连金参与创建的这个理论中，暴涨始于一个具有异常高能量的真空态，并且具有负压力。这两个特点赋予真空以排斥引力，使物质分离而非吸聚。这使得真空进一步膨胀，从而斥力更大，由此暴涨愈演愈烈。但是暴涨的真空本质上是量子的，因此并不稳定。

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　　随处都有小块真空随机衰变成普通的真空。你可以将暴涨真空想象成一个正在沸腾的海洋，每一处都不断有气泡出现和扩张。暴涨真空的能量必须要有个去处，它们最终转变成物质，又将每个泡泡中的物质加热到地狱般的高温，由此制造出一个个大爆炸。我们的宇宙就处在这样一个由137亿年前的一场大爆炸产生的泡泡之中。暴涨的一个迷人特征就在于，它是永恒的。高能真空产生的速度比衰减到普通真空所带来的蚕食要快得多，这就意味着，暴涨一旦开始，就永远不会停止，宇宙会一直沸腾下去。由于永恒暴涨避免了令人沮丧的奇点，因此宇宙有可能自无穷久远以来就一直维持着这样的沸腾状态。

　　暴涨与我们今天所有的观测都不矛盾，维连金相当确信，该理论的核心是正确的。不过永恒暴涨也面临一个问题。2003年，维连金与纽约南安普顿大学的阿尔温德博尔德和暴涨理论先驱、麻省理工学院的阿兰古斯合作时，首先发现了这个问题。在不对能量和引力做任何假设的前提下，他们计算了宇宙演化的过程。唯一的假设是，平均而言宇宙是膨胀的。“令我们惊讶的是，在宇宙各种可能的过去当中，大多数时空都不会一直持续到永远，”维连金说，“暴涨必定有一个开端。”不过暴涨也只是逐鹿群雄之一，其它的宇宙图景是不是也必定包含一个开端呢？2012年年初，维连金和他在塔夫斯大学的同事奥德丽米萨尼合作，对另外两种有代表的宇宙学图景进行了检验。

　　宇宙或许是高维空间中的两张四维膜，相互碰撞时就会产生我们所说的大爆炸。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和英国朴茨茅斯大学的罗伊马尔滕斯设想出来的“涌现宇宙”。

　　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“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。”

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　　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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