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宇宙终极谜题:在大爆炸之前,宇宙发生过什么?
来源:科技科幻迷 | 2020/7/20 19:19:46 | 浏览:37 | 评论:0

人们一度认为大反弹理论是错误的,但两位物理学家刚使其起死回生。

 

宇宙终极谜题:在大爆炸之前,宇宙发生过什么?

 

一位艺术家对宇宙大爆炸的构想

(图源:空间研究联合会(USRA)斯科特·威辛格(Scott Wiessinger,):首席制片人;ADNET艾伦·莱普施(Aaron E. Lepsch):技术支持;USRA克里斯托弗·金(Krystofer Kim):首席动画师;livescience)

 

一开始,有一个密度无限大、体量微小的物质球。之后,整个球体发生了爆炸,产生了我们今天所知的原子、分子、恒星和星系。

至少在过去几十年间,物理学家们是这么告诉我们的。

但是新的理论物理学研究给探索早期宇宙打开了一个可能的窗口——早期宇宙,可能根本不“早期”。相反,它可能只是一个爆炸性反弹周期的最新迭代,这个周期已经迭代了……好吧,至少有一次,也可能一直在迭代。

当然,在在物理学家决定抛弃宇宙大爆炸、改用大反弹周期理论之前,这些理论预测需要经受住观测测试的考验。

 

宇宙终极谜题:在大爆炸之前,宇宙发生过什么?

 

大反弹(图源:insidetheperimeter)

 

反弹宇宙学

科学家对于早期宇宙有一个很不错的描绘,这也就是我们所熟知和喜爱的宇宙大爆炸理论。在这个模型中,很久以前的宇宙要比现在的宇宙小得多、热得多且密度大得多。在138亿年前的那场早期爆炸中,所有造就了我们的元素都是在十几分钟内形成的。这一理论认为,在某个更早的时间,我们的整个宇宙——所有的恒星,所有的星系,一切的一切——都只有一个桃子那么大,但温度却超过四十几亿度。

 

令人惊奇的是,目前所有的观测结果证实了这一奇异想法很有说服力。从年轻宇宙中残留的电磁辐射到测量最轻的元素的丰度,天文学家们做了大量工作,并且发现它们都与宇宙大爆炸的预测一致。据我们所知,宇宙大爆炸是我们对早期宇宙的准确描绘。尽管如此,大爆炸理论对宇宙的描绘并不完整——我们还缺少最后一块拼图,而那块拼图就是宇宙本身最初时刻的样貌。

而这块拼图非常之大。

 

宇宙终极谜题:在大爆炸之前,宇宙发生过什么?

 

宇宙发展图鉴(图源:universetoday)

 

大爆炸

问题在于,我们用来理解早期宇宙的物理学(广义相对论和高能粒子物理学的奇妙复杂混杂体)在崩溃失败前只能带我们走这么远。当我们试图走得越来越深,深入到宇宙最初的时刻时,数学越来越难以回答和解决这些问题,以至最后…放弃退出。

 

我们探索的主要标志是,在宇宙大爆炸开始存在一个 "奇点",或者说是一个密度无限大的点。从表面上理解,这告诉我们,在某一时刻宇宙被挤进了一个体积无限小、密集无限大的点。这显然是荒谬的,但它真正告诉我们的是,我们需要新的物理学来解决这个问题——我们目前用的工具还不够好。

 

为了改变局面,我们需要一些新物理学,一些能够处理引力和其他力以及在超高能情况下产生的各种结合力的学说和理论。而这正是弦理论所言的:一种能够处理引力和其他各种力,以及在超高能量下产生的合力的物理学模型。这就意味着,弦理论称它可以解释宇宙最初时刻。

 

宇宙终极谜题:在大爆炸之前,宇宙发生过什么?

 

弦理论模型(图源:Fine ArtAmerica)

 

最早的弦理论概念之一是 “ekpyrotic”宇宙(“ekpyrotic”为希腊语,对应英语 “conflagration”或“火”),即“火宇宙理论”。在这种情况下,我们所知道的大爆炸是由在其之前发生的其他事情引发的——大爆炸不是一个开始,而是一个更大过程中的一部分。

火宇宙概念延伸出一种理论,该理论被称为循环宇宙论,同时弦理论也再次给予这一理论启发。从技术上讲,认为宇宙不断重复这一观点已经存在了几千年,而且早于物理学,但弦理论给予了这个概念坚实的数学基础。循环宇宙就像你所想象的那样,不断地在大爆炸和大坍缩之间跳来跳去,有可能是永恒地回到过去时间,也有可能是永恒地走向未来。

 

宇宙终极谜题:在大爆炸之前,宇宙发生过什么?

 

TedX杰克逊·霍尔:布莱恩·格林讨论弦理论时的模型(图源:891khol)

在一切开始之前

虽然听起来很酷,但早期的循环模型很难与观测结果相匹配——当你试图进行科学研究,而不仅仅是围着篝火讲故事的时候,这是一件很重要的事。

主要的障碍在于,根据我们对宇宙微波背景的观测结果,宇宙留下最古老的光仅有38万年。虽然我们无法直接视穿那面光墙,但如果你开始从理论上对关于早期宇宙的物理学修修补补,你就能纠正余辉图案。

 

宇宙终极谜题:在大爆炸之前,宇宙发生过什么?

 

余辉图案(图源:NASA)

 

因此,循环宇宙似乎是一个好想法,但是它并不正确。

但这些年来,火宇宙理论的火炬一直燃烧着,1月份发表在arXiv数据库的一篇论文就数学中的计算瑕疵进行了探索,并发现了一些之前错过的机会。加拿大麦吉尔大学的物理学家罗伯特·勃兰登伯格(Robert Brandenberger)和王紫微(Ziwei Wan)发现,在“反弹”瞬间,当我们的宇宙收缩到一个令人难以置信的小点,并返回到大爆炸状态时,我们有可能将一切都排列好,以得到合适的观测检验结果。

换句话说,在这个关键时期,复杂的(而且,目前人们承认仍不太了解的)物理学可能确实能帮助我们对宇宙中人类的时间和位置进行彻底修正。

但是,要完全检验这个模型是否可行,我们必须等待新一代宇宙学实验的到来,所以让我们等着庆祝成功吧。

作者:Paul Sutter

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