W020190618397634424003.jpg

大爆炸之前,宇宙是什么样的?

蝌蚪五线谱 2019-06-18

  我们很难想象137亿年前宇宙的样子,那时,宇宙只是一个奇点。关于宇宙的起源,宇宙大爆炸理论有一个主要的竞争者。 这一理论表明,宇宙中所有的物质和空间本身都以比亚原子还小的形式存在。

  然而现在一个更难的问题出现了:宇宙大爆炸之前,有什么东西存在?

  二十世纪初,爱因斯坦得出了一个和广义相对论非常相似的结论。我们只需要考虑质量对时间的影响。一个星球的巨大质量会使使时间弯曲,这导致了地球表面运行的时间比卫星轨道上的时间要稍微慢一些。而这种速度间的差异太小,人们通常感觉不到。但和独自站在空旷田野里的人相比,时间对于站在巨大岩石旁边的人而言运行的更慢。

  基于爱因斯坦的研究,比利时宇宙学家Rev. Georges Lemaître在1937 年发表论文称: 宇宙最初是一个奇点,是大爆炸导致了宇宙的扩张。

  然而,根据这条逻辑线索,这篇文章的标题是有瑕疵的。因为时间是随着宇宙这一奇点渐渐扩张成了现在的大小和形状才诞生的。

  事情到此为止了吗? 远远没有。关于宇宙的困惑永远不会停息。在爱因斯坦去世后的几十年后,随着量子物理的发展和一系列新理论的提出,关于大爆炸前宇宙是什么样子的问题又卷土重来。 让我们看看下面的几种假设吧。

  现在的宇宙是从之前的宇宙喷发出来的吗?

  如果我们现在的宇宙是另一个更古老的宇宙的后代怎么办呢?有些天体物理学家认为这一切都和宇宙微波背景辐射有关,所谓的宇宙背景辐射指的是大爆炸产生的残留物仍然对现有的宇宙产生热辐射。

  天文学家在1965年首次发现了宇宙微波背景辐射的存在,这很快引出了人们对宇宙大爆炸理论的疑问。此后人们一直在探究相关问题,并于1981年创立了宇宙暴胀理论。这一理论声称,宇宙在存在之初的一段时间里经历过急速的扩张。同时,这一理论还认为温度和密度波动也会对宇宙微波背景辐射产生影响,但温度与密度的波动应该是统一的。

  然而事实并非如此。最新的测绘结果表明,宇宙内部是不平衡的,有些区域密度和温度的波动比其它区域更大。有些宇宙学家把宇宙内部的不平衡看作是一种支持性证据,证明现在的宇宙是从古老的“母体宇宙”中喷发出来的。加州理工学院研究员Adrienne Erickcek就持有这种观点。

  在混沌暴胀理论中,这一概念更深入。这一理论认为宇宙是不断膨胀的泡泡,每个泡泡都会衍生出一个新的宇宙,而每次新宇宙的诞生又会带来无数泡泡的膨胀。

  其他模型仍然围绕着大爆炸前的奇点本身而形成。 如果把黑洞看作是宇宙的垃圾捣碎机,那么它们进行的是主要的压缩工作。因此,我们暴胀的宇宙从理论上说可能是一个从另一个宇宙的黑洞中输出的“白洞”。 所谓白洞是一个假设的实体,其功能和黑洞相反,旨在散发出能量和物质,而不是把物质和能量吸入洞中。把白洞当作是一个宇宙的排气阀就好。有些科学家提出我们的宇宙可能就是从黑洞中诞生的,并且我们宇宙中的每一个黑洞里都可能包含着其它独立的宇宙。 然而,有些科学家却认为宇宙的诞生不是因为大爆炸,而是因为大反弹。

  宇宙大反弹

  很早以前,印度中世纪宗教哲学家认为宇宙处在一个无尽的循环中,总是在不断地创造和毁灭。 原先,宇宙的质量是无差别的,后来却渐渐演变成我们看到的复杂现实。之后,宇宙会自我毁灭,再次创造出一个新的宇宙。

  一些当代的科学家和印度哲学家达成了惊人的共识。有些科学家不认同大爆炸理论,而是相信宇宙按照一定的周期膨胀和收缩,每次都在收缩到特定的大小后,再反弹回来。在大反弹理论中,每个循环都会从小而光滑的宇宙中开始,但这种宇宙又不像奇点那么小。宇宙会渐渐扩大,变得更加厚重,其中的时间也会变得越来越弯曲。最终,宇宙在临界点崩溃,渐渐平滑之后后又缩小到最初的大小,接着新的循环又会开始。

  为了让大反弹理论起作用,我们必须在由英国物理学家Roger Penrose和Stephen Hawking所提出的奇点定理中找到相应的方法。根据奇点定理,一个正在收缩的宇宙会一直缩小,直到成为奇点为止。在这期间质量巨大的星体会逐渐死去,最终被压缩,形成黑洞。而大反弹的理论模型基于这样的想法:即负能量会抵消重力,逆转宇宙的崩溃。这也就是说,宇宙和时空会一次又一次地被撕裂。

  这些收缩和扩张的循环大约会在每一万亿年重复一次。

  大回弹理论与西方文明现实主义的观点有所分歧, 因为它承认时间事实上先于宇宙而存在。

  但是,无论科学家认同的是大爆炸理论还是大反弹理论,现有宇宙存在之前到底存在着什么仍然是一个开放性的问题。也许,什么也不存在,也许存在着其它的宇宙或者是现存宇宙的不同版本,也可能存在着一片宇宙的海洋。每种假设都遵循着不同的定律,也呈现着不同的物理现实。

  蝌蚪五线谱编译自howstuffworks,译者 晴空飞燕,转载须授权

责任编辑:王超

科普中国APP 科普中国微信 科普中国微博
蝌蚪五线谱
是中国科协为深入推进科普信息化建设而塑造的全新品牌,旨在以科普内容建设为重点,充分依托现有的传播渠道和平台,使科普信息化建设与传统科普深度融合,以公众关注度作为项目精准评估的标准,提升国家科普公共服务水平。

猜你喜欢