圖片來源：davidope for Quanta Magazine
宇宙學家已經(jīng)揭示了收縮的宇宙發(fā)生反彈并擴張在理論上是可能的。這項新工作使得以前的一個觀點重獲新生。而這個觀點直接挑戰(zhàn)了有關宇宙形成的大爆炸理論。
作者 | Natalie Wolchover
翻譯 | 劉博堯
審校 | 韓晶晶
人類一直關注著有關宇宙起源的兩個基本理論。正如宇宙學家Mario Novello和Santiago Perez-Bergliaffa在2008年提到的那樣：“其中一個理論認為，宇宙在一瞬間誕生（正如猶太教，基督教或者巴西卡拉雅斯的宇宙觀那樣）。另一個理論則認為宇宙是永恒的，有著無限多的循環(huán)（就像古巴比倫和古埃及的宇宙觀那樣）。”他們還寫道：“現(xiàn)代宇宙學的分歧和古代神話在某些方面是相似的。”
在最近幾十年里，兩個理論并不是勢均力敵的。大爆炸理論一直是課本和電視節(jié)目中的標準理論，受到當今宇宙學家的強烈支持。而永恒宇宙圖像在一個世紀之前享有同樣的地位，但后來天文學家發(fā)現(xiàn)了宇宙的兩個性質(zhì)，第一是持續(xù)膨脹，第二是在大約140億年前宇宙很小，結構也很簡單。這兩個性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)讓永恒宇宙圖像理論失去了支持。在大爆炸理論的現(xiàn)代通行版本中，大爆炸是由“宇宙暴脹”開始的，“宇宙暴脹”是一種指數(shù)膨脹，在此期間，極小的一塊時空膨脹為一個光滑，平直的大尺度宇宙，之后宇宙的膨脹就變得更加平緩。
只需引入“暴脹場”這一個要素，暴脹模型就能解釋了現(xiàn)在宇宙的很多大體特征。但作為一個解釋宇宙起源的理論，暴脹理論是不完整的。這個理論會引發(fā)一些問題：暴脹之前有什么東西？最初的那個，充滿暴脹子的點是怎么來的？但很多理論工作者堅持認為暴脹場可以自然推廣為一個更加完整的理論，盡管這個可以解釋時間源頭的理論仍不為我們所知。
但是過去幾年，越來越多的宇宙學家開始重新考慮另一個理論。他們說大爆炸其實可能是大反彈。有的宇宙學家認為宇宙就像肺，不斷地重復著膨脹收縮的過程，每次都收縮到一個特定的大小，另一些人則認為宇宙只反彈了一次，在反彈之前一直在收縮，而在反彈之后就永遠膨脹。在這兩種模型中，時間都是無始無終的。
人類歷史中的不同文明都有關于宇宙起源的說法，他們要么想象宇宙有一個創(chuàng)世時刻，要么想象出一個循環(huán)往復、永久存在的宇宙。上圖是大約公元前1000年埃及的藝術作品，描述了時間的開始。
圖片來源：Book of the Dead of Khensumose
宇宙暴脹存在爭議
依靠現(xiàn)代科技，這個古老的爭論有了解決的希望。在未來幾年，望遠鏡就有可能發(fā)現(xiàn)宇宙暴脹的確切證據(jù)。如果時間確實有開端，那么在時間開始的暴脹期間，時空中的量子漣漪會抻開，隨后會在時空中留下印記，讓當時的光——宇宙微波背景輻射的偏振方向產(chǎn)生細微旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在和將來的望遠鏡觀測計劃就在尋找這種偏振方向的旋轉(zhuǎn)。如果將來幾十年都看不到這種偏振方向的旋轉(zhuǎn)，盡管暴脹理論不會被完全否定（有可能因為旋轉(zhuǎn)太微弱而無法識別），但并沒有預言偏振方向旋轉(zhuǎn)的反彈理論就更可能成立。
很快，幾個團隊已經(jīng)有了進展。極其重要的是，物理學家們在去年已經(jīng)提出了 兩種新的反彈機制。其中一個模型是由哥倫比亞大學的Anna Ijjas提出的，這一模型是她和以前的導師，普林斯頓大學高調(diào)支持大反彈理論的宇宙學家Paul Steinhardt共同完成的理論的擴展，描述這一模型的論文即將發(fā)表在Journal of Cosmology and Astroparticle Physics上。更令人驚訝的是，另一個新的反彈理論的提出者們以前和反彈宇宙學研究并沒有聯(lián)系，他們是Peter Graham，David Kaplan和Surjeet Rajendran，一個有名的“鐵三角”，以前專攻粒子物理學問題。宇宙學中，大爆炸理論和大反彈理論針鋒相對，而這一學科中的這些進展是十分值得關注的。
2001年，Steinhardt和另外三個宇宙學家表示，宇宙歷史中的一段緩慢收縮可以解釋為什么我們現(xiàn)在看到的宇宙會超乎想象地光滑和平整，甚至在經(jīng)過反彈后依然如此，而且這一理論不需要一個暴脹階段。這使得大爆炸對大反彈的爭議有了新的意義。
宇宙的平整度堪稱完美，天空中并沒有任何一個區(qū)域的物質(zhì)明顯多于另一區(qū)域，我們的望遠鏡視野所及之處也都極為平直，而這是一個很大的迷。要符合現(xiàn)在宇宙的均勻程度，專家推斷，在宇宙只有一厘米大小時，各處的密度漲落不超過十萬分之一。但在宇宙由更小的尺度開始膨脹的過程中，物質(zhì)和能量本應該立刻聚集在一起并扭曲時空。那么為什么我們的望遠鏡沒有觀測到一個被引力扭曲的宇宙呢？
Anna Ijjas，哥倫比亞大學理論宇宙學家
圖片來源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
2001年關于宇宙收縮的論文的合著者包括Steinhardt，Justin Khoury和Burt Ovrut，還有一位是加拿大圓周理論物理研究所所長，宇宙學家Neil Turok。Neil說：“暴脹理論的提出是因為有人覺得宇宙一開始就十分均勻而且平直的想法過于瘋狂?！痹诒┟浀倪^程中，厘米尺度的區(qū)域是由一個更小的區(qū)域指數(shù)膨脹而來的，這一區(qū)域的大小不超過一億億億分之一厘米。只要這個小區(qū)域充斥著光滑平整的暴脹場，也就是說它的能量分布不隨時空漲落，那么這個小區(qū)域就會膨脹為一個巨大而光滑的宇宙，正如我們的宇宙這樣。馬里蘭大學理論物理學家Raman Sundrum說他最欣賞暴脹的一點是“這個理論中有一種容錯性”。如果在快速膨脹的過程中有能量聚集并使得特定區(qū)域中的時空發(fā)生翹曲，這處能量聚集也很快會被暴脹抹掉。Sundrum說：“如果你做一些和數(shù)據(jù)展示的結果相反的小改動，你會發(fā)現(xiàn)結果還是會回歸到原來的數(shù)據(jù)所顯示的狀態(tài)?！?/span>
然而，仍然沒有人知道這一小塊時空究竟從何而來，也沒人知道它為何一開始就如此光滑平坦。理論工作者已經(jīng)找到很多種將暴脹場整合在弦論中的方法，而弦論則是一種有望揭示引力的量子性質(zhì)的理論。但現(xiàn)在還沒有證據(jù)證明這些想法是對還是錯。
宇宙暴脹也帶來了一個富有爭議的結果。這個理論在上世紀八十年代由Alan Guth，Andrei Linde，Aleksei Starobinsky和Steinhardt提出后，很自然地引發(fā)了一個假設，這個假設認為我們的宇宙是充滿泡沫的無限多重宇宙海洋中的一個隨機的泡泡。計算顯示，暴脹一旦開始，就會永遠持續(xù)下去，只有在旁邊和我們宇宙一樣的泡泡宇宙誕生時才有所停留。無限多重宇宙海洋的可能性或許意味著我們永遠無法完全理解我們所處的宇宙，因為在多重宇宙中任何可能發(fā)生的事情都會發(fā)生無數(shù)遍。專家們對于這個問題有著直覺層面的分歧。許多人已經(jīng)接受了我們的宇宙只是很多宇宙中的一個的想法。而Steinhardt認為多重宇宙的想法純粹是“無稽之談”。
大爆炸其實可能是大反彈？
這種情緒或多或少地使得他和其他研究者的觀點轉(zhuǎn)向了反彈理論。Turok說：“反彈模型并沒有暴脹。”與暴脹相反，他們在反彈前加入了一段時間的收縮，這種收縮就可以解釋我們宇宙的均勻性。他說：“你所處的這個房間中的氣體是處處均勻的，這是因為氣體分子在不斷地碰撞，并處于平衡狀態(tài)。同樣，假如宇宙很大，并且緩慢地收縮，那么就有充足的時間使得宇宙變得光滑均勻。”
盡管收縮宇宙的模型一開始十分復雜，不甚完美，但是宇宙緩慢收縮可以解釋現(xiàn)在膨脹的宇宙的很多特點，這一基本觀點還是逐漸得到了很多研究者的接受。Steinhardt說：“現(xiàn)在我們的瓶頸真的變成了一個瓶頸——反彈?！闭鏘jjas所說：“反彈一直是這個理論中有困難的部分。如果你能完成收縮過程，那么人們會覺得很有趣，但是假如你不能完成膨脹過程，那么就不怎么有趣了?！?/span>
圖片來源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
反彈并不簡單。在上世紀六十年代，英國物理學家Roger Penrose和史蒂芬·霍金證明了一系列所謂的“奇點定理”，奇點定理顯示，在大多情況下，收縮的物質(zhì)和能量會不可避免地擠壓成一個無限致密的點，這個點就叫做奇點。根據(jù)這些定理，收縮時的宇宙中物質(zhì)和能量都向內(nèi)收縮，很難想象為什么宇宙不會坍縮為一個奇點，在奇點處，愛因斯坦關于時空的經(jīng)典理論都會崩潰，取而代之的是未知的量子引力理論。為什么收縮的宇宙不會像大質(zhì)量恒星一樣，最終坍縮為黑洞中心的奇點呢？
兩個新提出的反彈模型都利用了奇點定理中的漏洞，多年以來人們都將這其視為理論發(fā)展的死胡同。反彈宇宙學家很久以前就意識到了一點：假如宇宙中有負能量的物質(zhì)（或者其他能產(chǎn)生負壓力的物質(zhì)），那么這些物質(zhì)就可以產(chǎn)生和引力相反的作用，使得物質(zhì)分散開來，這樣一來反彈就可能發(fā)生了。他們從本世紀初開始就嘗試利用奇點定理中的漏洞，但是他們總會發(fā)現(xiàn)在模型中加入負能量物質(zhì)會使得宇宙變得不穩(wěn)定，因為零能量的真空中可能同時發(fā)生正負能量的量子漲落，這些量子漲落都不易控制。2016年，俄羅斯宇宙學家Valery Rubakov和同事們甚至證明了一個“禁止”定理，這個定理似乎說明了很多反彈機理都是不可行的，就因為那些很“詭異”的量子漲落的不穩(wěn)定性。
然后Ijjas發(fā)現(xiàn)了一種反彈機理，這種反彈機理可以不受“禁止”定理的約束。她模型中的關鍵因素就在于“標量場”，根據(jù)她的理論，標量場在宇宙收縮，能量集中的過程中起到了重要作用。這個標量場會和引力場相互作用，并對宇宙產(chǎn)生負壓力，讓收縮過程逆轉(zhuǎn)并使得時空分散開，這樣一來宇宙就不會有不穩(wěn)定性。德國馬普引力物理研究所的理論宇宙學家Jean-Luc Lehners也在反彈理論方面工作過，他評論Ijjas的論文時說道：“在為擺脫不穩(wěn)定性和為這種物質(zhì)建立一個穩(wěn)定的模型所做的嘗試中，這是最好的了。”
這兩種模型真正有趣的地方是它們的“非奇異性”，這也就意味著宇宙在收縮時不會變?yōu)橐粋€點，在縮小到一定程度時就會開始擴張。于是這些反彈就可以完全通過經(jīng)典引力理論來描述，而不必考慮引力的量子性質(zhì)。
左起：斯坦福大學的Peter Graham，約翰霍普金斯大學的David Kaplan和加州大學（伯克利）的Surjeet Rajendran
圖片來源：Linda A. Cicero/Stanford News Service, Will Kirk/Johns Hopkins University, Sarah Wittmer
另外，斯坦福大學的Peter Graham，約翰霍普金斯大學的David Kaplan和伯克利加州大學的Surjeet Rajendran在2017年9月在預印本網(wǎng)站arxiv.org上發(fā)表了他們的非奇異性反彈理論。他們是在考慮宇宙歷史中的收縮時段能否用來解釋宇宙學常數(shù)的值時建立這個理論的。宇宙學常數(shù)定義了時空中暗能量的多少，而正是暗能量使得宇宙加速膨脹，它的值為何如此之小，一直是個謎。
為了解決理論中最困難的問題——反彈，這三個研究者研究了奇點定理中另一個已經(jīng)被很多人遺忘的漏洞。他們從邏輯學家Kurt G?del在1949年提出的一個具有奇怪特征的宇宙模型中得到了啟發(fā)。當時Kurt G?del是愛因斯坦在普林斯頓高等研究院的同事，他們經(jīng)常一起散步。G?del用廣義相對論原理構建了一個旋轉(zhuǎn)的宇宙，正如地球繞著太陽的旋轉(zhuǎn)使得地球免于落入太陽一樣，宇宙的旋轉(zhuǎn)使得宇宙避免在引力的作用下發(fā)生坍縮。G?del尤其喜歡它的旋轉(zhuǎn)宇宙能夠允許“類時閉合曲線”的存在，也就是時間上的循環(huán)，而這就引發(fā)了各種問題。他有生之年都一直都在迫切地等待證據(jù)證明宇宙確實在按他預言的方式旋轉(zhuǎn)。研究者現(xiàn)在知道了其實宇宙并不是G?del所想的那樣。假如G?del是對的，那么宇宙就會存在一個特殊的方向。但是Graham和同事們開始考慮那些有可能存在的，很小的，被卷曲的維度，比如弦論所預言的宇宙的另外六個維度。收縮的宇宙有沒有可能在這些方向上旋轉(zhuǎn)呢？
想象有這樣的一個卷曲起來的額外維度，即空間中任意一點都能找到的一個小圈。正如Graham所說：“空間中每一點都有一個你可以進入的第四個空間維度，但是你只能沿這個維度走一小段距離，然后就會回到原來的位置。”如果至少有三個額外的緊致化維度，那么隨著宇宙的收縮，物質(zhì)和能量開始在其中旋轉(zhuǎn)，維度本身就會隨著物質(zhì)和能量一起旋轉(zhuǎn)。這種額外維度的渦流很快就會引起反彈。Graham說：“所有原本會坍縮到奇點的東西會因為另一個維度的旋轉(zhuǎn)而相互錯過，這有點像引力彈弓效應。所有的東西原本都會聚集于一個點，但是它們相互錯過并重新散開。”
反彈理論將走向何方？
這篇論文不僅僅吸引了一般的反彈宇宙學家。加州理工學院理論物理學家Sean Carroll盡管對論文存疑，但是仍然覺得這個想法“非常聰明”。他說發(fā)展傳統(tǒng)的暴脹理論的替代理論十分重要，哪怕只是要通過對比看看暴脹理論有何優(yōu)勢，尤其是當2020年代初下一代望遠鏡開始投入使用來觀測因為暴脹產(chǎn)生的那些標志性背景輻射痕跡。Carroll說：“盡管我認為暴脹理論很可能是對的，我還是希望能有其他不同的理論出現(xiàn)。”馬里蘭大學物理學家Sundrum說自己也有同樣的想法，他說：“有的問題十分重要，即使只有5%的幾率成功，你也會孤注一擲，而這篇論文給我的就是這種感覺?！?/span>
Graham，Kaplan和Rajendran在探索他們的反彈理論以及可能的實驗觀測結果。而目前Ijjas和Steihardt正在與普林斯頓的Frans Pretorius合作，要進行計算機模擬。（Simons基金會贊助了他們的研究，而Simons基金會也是Quanta Magazine的資金來源）兩種反彈機制都需要更加完善穩(wěn)定的宇宙模型來描述整個宇宙的演化歷史。
除了這些非奇異性的反彈理論，其他的研究者也在探索的理論，在這些理論中，宇宙會收縮到奇點，在這個過程中能量極高，未知的量子引力規(guī)律會使得時間和空間的性質(zhì)與我們通常理解的不同。在將來的工作中，Turok和同事正在準備提出一個模型，在這個模型中，宇宙由奇點向過去和將來對稱地膨脹。Turok說這種兩葉宇宙存在的證據(jù)和正負電子對在真空中持續(xù)的突然產(chǎn)生和消失是等價的。他說：“理查德·費曼說正電子可以視為電子在時間軸上反向運動。它們是兩種粒子，但是它們也確實是等價的，在特定的時間它們出現(xiàn)又消失?！彼终f：“這個想法是非常非常深刻，而且很可能大爆炸的過程是相似的，宇宙和反宇宙都是從虛空中產(chǎn)生的，而導致它們產(chǎn)生的就是物質(zhì)的存在。
這個正反宇宙的反彈模型仍然有待觀測結果的驗證，但是Turok喜歡這個模型的簡潔性。在他看來，大多數(shù)宇宙的模型都過于復雜。而他說這個宇宙“看起來極為有序，對稱和簡單”，這對于理論工作者來說是很令人激動的，因為它告訴我們很可能有一個盡管難以發(fā)現(xiàn)，但是簡單的理論等待著發(fā)掘，而這個理論有可能解釋宇宙最詭異的性質(zhì)?！?/span>
原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/big-bounce-models-reignite-big-bang-debate-20180131/
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