科学家建循环宇宙模型揭示宇宙“前世今生”

科学家建循环宇宙模型揭示宇宙“前世今生”

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　　关于宇宙在时间上是否有开端、空间上是否有极限的问题源于人类对哲学的思考。可时至今日，物理学依然在为此争论不休。

　　在英国《新科学家》杂志报道中，美国普林斯顿大学天文学教授保罗·斯泰恩哈特和他的同事建立了一个新的循环宇宙模型。用循环宇宙替代大爆炸理论的说法，再次引起了人们的关注。

　　斯泰恩哈特解释，在宇宙坍塌至一个点前，一种带负压力的未知的场将一切向外猛推。研究小组利用了“幽灵”场——一种物理学上不现实但是数学角度上非常简单的带负动能的场——来指代这一未知场。

　　在他的描述中，幽灵场非常弱，以至于几乎可以被忽略，除了在反弹阶段——也即宇宙非常小非常密集的阶段。利用幽灵方程式，描述广义相对论下时空的计算工具显示，垂死宇宙的微小波动的确能够转移到新生的宇宙里。

　　不过，斯泰恩哈特也承认，反弹模型依然具有自身的缺陷。宇宙神秘推力的本质仍然是个未知数。

　　广义相对论在奇点处失效

　　在人们固有的认识中，宇宙在很久很久以前，是由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，这种状态也被称为奇点，是我们宇宙的诞生时期，而在这之前，既没有时间，也没有空间。此后，因为一股神秘的力量，致使奇点突发爆炸膨胀，并一直持续到今天的状态。大爆炸理论至今仍是被科学界最广泛认可的宇宙起源模式，它的框架基于爱因斯坦的广义相对论。

　　但是，广义相对论本身却在奇点处失效，到目前为止，还没有证据能够直接或间接描述膨胀初始的极短时间内的宇宙状态。大爆炸理论无法对宇宙的初始状态作出任何描述和解释，它构建的只是宇宙在初始状态之后的演化图景。

　　一直以来，奇点也被看作是时间的起点，如果奇点无法被解释，它作为时间的初始地位也就自然地被动摇了。宇宙的出现是否早于今天我们所认知的时间？

　　保罗·斯泰恩哈特和加拿大安大略省滑铁卢市圆周理论物理研究所的主任尼尔·图洛克在合著的《无限宇宙：大爆炸之后》中这样写道：“无论是时间还是宇宙都没有开始或者结束。宇宙进化过程是循环往复的，‘大爆炸’每一万亿年发生一次，每一次都伴随着新物质和新辐射的产生，并形成新的星系、恒星、行星以及生命。我们不过是最近一次循环的组成部分。”

　　1922年，苏联宇宙学家、数学家亚历山大·弗里德曼假设了宇宙在大尺度上均匀和各向同性，利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程。该方程可以有不同的解，一种情况是宇宙将永远膨胀下去，而另一种情况则可以是宇宙膨胀减慢到一定限度后出现胀缩交替。

　　尼尔·图洛克认为，正是弗里德曼最早提出了循环宇宙的概念。在这个设想中，一个有限的宇宙一遍又一遍地反复崩塌和反弹。可以说，现今的这个宇宙正是前一个宇宙崩塌后反弹形成的。而在循环宇宙模型中，不存在奇点。

　　中科院国家天文台研究院陈学雷告诉《中国科学报》记者，尽管循环理论的历史几乎和大爆炸理论一样长，但在大多数时间里它并没有得到认可。

　　依照早年循环模型的设定，宇宙的每次反弹都会产生更多的辐射，这意味着宇宙中的物质将增多。根据爱因斯坦的方程式，宇宙每次反弹后会变得越来越大，以至于每次循环的时间将会变长。但追溯过去却发现，每次反弹后的循环周期反而越来越短，一直缩短至零。这意味着宇宙仍然始于一个有限的过去。循环理论也无法自圆其说。

圈量子引力论与弦论的竞争

　　但到了21世纪，循环宇宙的理论却开始吸引了一部分物理学家的关注，它在相对论的基础上融入了量子力学理论。

　　量子力学与广义相对论是20世纪最具革命性的两大理论，但两者却互不兼容。广义相对论研究大尺度的物体，而量子力学则掌管着亚原子粒子的微观世界，一个具有定域性，而另一个则不具备。

　　美国宾夕法尼亚州立大学引力物理与几何研究所主任阿贝·阿西提卡和他的研究团队提出了一种被称为“圈量子引力论”（LQG）的理论，并通过量子场论尝试解释引力论的量子化过程，将广义相对论引入到了场论的道路上。阿西提卡发现，LQG理论可以解释今天的宇宙是由前一个宇宙的崩溃而催生，大爆炸在回圈量子引力论理论中是一种大反弹，并不是被看成一个奇点，这个过程是连续的。

　　这就好比恒星的坍缩。恒星都处于平衡态，向外喷发的辐射抵抗了向内收缩的引力作用。而当恒星燃烧殆尽之后，辐射减少，就没有力量能够抵抗引力的收缩了。宇宙的演化与之类似，LQG理论假定时空几何本身具有离散的原子结构，宇宙在大爆炸之前坍缩到的一个“点”时，几何本身的量子性质使之存在另外一种排斥力使宇宙从这个点爆炸出来。宇宙就是这样经历无穷无尽的扩展与收缩，无始无终。

　　在循环宇宙理论中，与圈量子引力论形成有力竞争的理论框架来自于弦论和M 理论。据陈学雷介绍，它的提出者正是保罗·斯泰恩哈特与尼尔·图洛克。

　　图洛克在一次关于循环宇宙的专访中提到，弦论中描述的每个粒子实际上是一小串的弦，M 理论中无数平行的膜，其实就是更高纬度的弦。有一种假设，我们所生活的三维空间可能就是这些膜的其中之一，在这之外还存在另外一个无限大的平行宇宙。如果我们与另一平行膜产生碰撞时会发生什么？

　　他认为，人们一般只考虑膜的静态设定，却没有考虑到这种膜能够移动的可能性。想象一下，如果这两张膜彼此相互吸引，若要将它们分开，就必须向这个系统施加能量，那就是今日宇宙中存在的暗能量的一部分。根据该模型，暗能量实际上是不稳定的，它不会永远保持不变，它会随着膜与膜之间的距离扩大而提高。到了一定程度，这两张膜开始走向对方，然后碰撞，也就是大爆炸的起源。在这个理论框架下，同样可以得到一个可以无限次循环、永恒存在的宇宙。

　　而当膜与膜相撞的时候，这些褶曲就变成了如今所观测到的密度不均匀，这些密度的不均匀就导致了星系的形成，这与大爆炸理论中暴涨模型对宇宙物质呈不均匀分布的诠释如出一辙。陈学雷说，在此之前，还没有其他理论能对此作出解释。

　　观测证据支撑大爆炸理论

　　不过，在陈学雷看来，这些理论之所以还远不足以跟大爆炸理论相抗衡，只被少数人接纳，是因为它们还只是建立在某种数学或者物理模型基础之上的假设，而缺乏实验或观测数据的支持。

　　中科院国家天文台原研究员、天文学家李竞则在接受《中国科学报》记者采访中表示，在大爆炸理论提出的近百年的时间里，一些直接的观测证据成为了这个理论的支柱。其中包括从星系红移观测到的哈勃膨胀、对宇宙微波背景辐射的精细测量、宇宙间轻元素的丰度，以及大尺度结构和星系演化。其间，还不断有其他理论模型对大爆炸理论作进一步补充、解释。

　　李竞告诉《中国科学报》记者，在20世纪末，一切关于宇宙的书籍都会提到，我们的宇宙今后可能有三种命运：一种命运，就是引力最终占上风，最后引力克服四向膨胀的力量，宇宙不再膨胀，然后我们的宇宙就开始大收缩；第二种按照哈勃定律，无穷无尽地一直膨胀下去；第三种可能在膨胀之后又收缩，收缩之后又膨胀，变成反复的脉动。

　　而过去十几年里，对遥远的超新星的观测结果似乎已经为宇宙的命运作出了选择。我们的宇宙不仅在膨胀，而且还因为某种神秘的排斥力在加速膨胀。宇宙学家们把这种排斥力归因于暗能量。

　　尽管，这对循环宇宙理论形成了不小的挑战，不过，由于人类对于暗能量的认识还非常有限。支持循环宇宙理论的科学家认为，一些理论模型可以推测暗能量的属性可能随时间发生变化，可以从排斥力变成类似重力的吸引力，使宇宙停止膨胀，进而使星系开始聚集到一起。继而按照大反弹理论，在这两种情况下宇宙都将崩塌直到其密度达到理论允许的最高密度，然后发生反弹。

　　“前一个”宇宙痕迹遭质疑

　　事实上，据陈学雷介绍，在2010年，英国牛津大学的物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）和亚美尼亚埃里温物理研究院的瓦赫·古萨德扬（Vahe Gurzadyan）提出，他们可能已经发现了我们之前的另一个宇宙在现今宇宙中遗留的痕迹。

　　宇宙微波背景辐射（CMB）存在于整个宇宙，被认为是初始大爆炸之后遗留下来的，到现在大约还残留着3K左右的热辐射，是大爆炸理论的有力支持之一。然而，彭罗斯和古萨德扬发现了背景辐射中存在的一种同心圆环结构，在这一结构中温度的变化远低于理论值，而且它们并不像表面展现的那样随机。更重要的是，彭罗斯解释，根据计算这种圆环结构必定产生于大爆炸发生之前。

　　尽管这个发现在当年引起了宇宙学界不小的关注，但争议始终存在。持怀疑态度的研究者们对宇宙微波背景进行了数千次随机仿真，仿真建立在当前公认的标准宇宙模型下。结果显示圆圈仍然存在，数量也没有变化。因此，它们被认为只是标准模型的一种特征，而这种特征在彭罗斯循环宇宙论中得不到解释。