BIGBANG之前是什么?
据新浪科技(任天):据国外媒体报道,在过去的几十年里,物理学家告诉我们,起初宇宙处于无限高密度和温度的状态,可以想象成一个无限致密的球体;然后,这个小球体爆炸,产生了我们今天看到的原子、分子、恒星和星系。
然而,最近新的理论物理研究发现了一个通往极早期宇宙的可能窗口,并指出这个时期可能根本不是真正的“极早期”。相反,它可能只是最新“爆炸-反弹”周期的一部分。这种循环至少发生过一次,可能会永远持续下去。
当然,在物理学家决定放弃大爆炸而选择“大爆炸-反弹”循环之前,这些理论预言还需要大量的观察和检验。
大爆炸理论
科学家对早期宇宙已经有了很好的了解,这就是我们所熟悉并被广泛接受的大爆炸理论。在这个模型中,很久以前的宇宙比现在小得多,热得多,密度也大得多。在138亿年前的早期宇宙中,组成我们今天所有东西的元素大约在12分钟内形成。
大爆炸理论认为,甚至更早,在某一时刻,整个宇宙(包括所有的恒星、所有的星系、一切)只有桃子那么大,温度超过万亿度。
令人惊讶的是,目前所有的观察都证实了这个荒诞的故事。天文学家做了各种各样的工作,从观察年轻宇宙遗留下来的电磁辐射到测量最轻元素的丰度。结果,它们都符合大爆炸理论的预言。据我们所知,这是目前对早期宇宙最准确的写照。
尽管如此,我们知道大爆炸理论的框架并不完整——缺少一个谜题,而这个谜题就是宇宙本身的最早时刻。
这是宇宙中最大的谜题之一。
火宇宙
问题是,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而复杂的大杂烩)只能把我们带到宇宙大爆炸的那一刻。当我们试图将宇宙的初始时刻向前推时,数学变得越来越难,直到无法应用。
物理学家尚未探索的一个重要问题是大爆炸开始时就存在的“奇点”,或者说是一个密度无穷大的点。从表面上看,这告诉我们,在某个时刻,宇宙被塞进了一个体积无限小、密度无限大的点。这显然是荒谬的。它真正的意思是,我们需要新的物理学来解决这个问题——目前的理论工具还不够好。
为了解决这个问题,我们需要一些新的物理工具,可以在超高能量下处理重力和其他力的东西。这就是弦理论所提倡的,它可以作为一个物理模型,可以在超高能量下处理重力和其他力。换句话说,弦理论声称可以解释宇宙的初始时刻。
弦理论最早的概念之一是“ekpyrotic宇宙”,来自希腊语,意为“火”。在这个概念下,我们所知道的大爆炸是由在它之前发生的其他事件引发的——大爆炸不是开始,而是一个更大过程的一部分。
“火宇宙”概念扩展后,一个受弦理论启发的理论——循环宇宙应运而生。从技术上来说,宇宙恒定周期的概念已经有几千年的历史,比物理学还要早,但弦理论为这一思想奠定了坚实的数学基础。正如普遍想象的那样,这个“循环宇宙”在大爆炸和大紧缩之间不断弹跳,可能是回到过去的永恒,也可能是进入未来的永恒。
根据大反弹的理论,每一个循环都是从一个平滑的小宇宙开始的,但不可能小到一个奇点;之后这个小宇宙逐渐膨胀,越来越大,越来越扭曲。达到一定程度后开始塌陷,同时越来越光滑,最终收缩到初始体积;然后再次开始同样的循环。
在初始之前
“循环宇宙”理论听起来很酷,但早期的数学模型很难匹配观测结果。在我们真正尝试做科研的时候,这是一个非常重要的问题。
主要障碍是如何匹配宇宙微波背景的观测结果。微波背景是宇宙诞生38万年遗留下来的热辐射,被称为“宇宙中最古老的光”。虽然我们无法直接观测到宇宙微波背景之前的一切,但如果要从理论上修复早期宇宙的物理,就会影响到这些“余光”模式。
因此,循环宇宙似乎是一个简洁但不正确的概念。然而,多年来,科学家们一直带着“火宇宙”理论的种子。在2020年1月发表在arXiv数据库上的一篇论文中,加拿大麦吉尔大学物理学家罗伯特·布兰登伯格(Robert Brandenberger)等研究人员探索了这一理论的数学问题,发现了一些以前没有注意到的因素。他们发现,在“反弹”的瞬间,也就是宇宙收缩到一个微小的点,回到大爆炸状态的时候,理论预测可以与观测和试验的结果相一致。
换句话说,虽然这个关键时期的物理很复杂(而且认识还很有限),但确实会对宇宙的时间和位置做一个根本性的修正。当然,要完全检验这个模型,还得等新一代的宇宙学实验。在此之前,“宇宙诞生之前是什么”将仍然是一个未解之谜。