宇宙学家已经揭示了收缩的宇宙发生反弹并扩张在理论上是可能的。这项新工作使得以前的一个观点重获新生。而这个观点直接挑战了有关宇宙形成的大爆炸理论。
宇宙星云
图片来源：davidope for Quanta Magazine 人类一直关注着有关宇宙起源的两个基本理论。正如宇宙学家Mario Novello和Santiago Perez-Bergliaffa在2008年提到的那样：『其中一个理论认为，宇宙在一瞬间诞生（正如犹太教，基督教或者巴西卡拉雅斯的宇宙观那样）。另一个理论则认为宇宙是永恒的，有着无限多的循环（就像古巴比伦和古埃及的宇宙观那样）。』他们还写道：『现代宇宙学的分歧和古代神话在某些方面是相似的。』 在最近几十年里，两个理论并不是势均力敌的。大爆炸理论一直是课本和电视节目中的标准理论，受到当今宇宙学家的强烈支持。而永恒宇宙图像在一个世纪之前享有同样的地位，但后来天文学家发现了宇宙的两个性质，第一是持续膨胀，第二是在大约140亿年前宇宙很小，结构也很简单。这两个性质的发现让永恒宇宙图像理论失去了支持。在大爆炸理论的现代通行版本中，大爆炸是由『宇宙暴胀』开始的，『宇宙暴胀』是一种指数膨胀，在此期间，极小的一块时空膨胀为一个光滑，平直的大尺度宇宙，之后宇宙的膨胀就变得更加平缓。 只需引入『暴胀场』这一个要素，暴胀模型就能解释了现在宇宙的很多大体特征。但作为一个解释宇宙起源的理论，暴胀理论是不完整的。这个理论会引发一些问题：暴胀之前有什么东西？最初的那个，充满暴胀子的点是怎么来的？但很多理论工作者坚持认为暴胀场可以自然推广为一个更加完整的理论，尽管这个可以解释时间源头的理论仍不为我们所知。 但是过去几年，越来越多的宇宙学家开始重新考虑另一个理论。他们说大爆炸其实可能是大反弹。有的宇宙学家认为宇宙就像肺，不断地重复着膨胀收缩的过程，每次都收缩到一个特定的大小，另一些人则认为宇宙只反弹了一次，在反弹之前一直在收缩，而在反弹之后就永远膨胀。在这两种模型中，时间都是无始无终的。 人类历史中的不同文明都有关于宇宙起源的说法，他们要么想象宇宙有一个创世时刻，要么想象出一个循环往复、永久存在的宇宙。上图是大约公元前1000年埃及的艺术作品，描述了时间的开始。 图片来源：Book of the Dead of Khensumose 宇宙暴胀存在争议 依靠现代科技，这个古老的争论有了解决的希望。在未来几年，望远镜就有可能发现宇宙暴胀的确切证据。如果时间确实有开端，那么在时间开始的暴胀期间，时空中的量子涟漪会抻开，随后会在时空中留下印记，让当时的光——宇宙微波背景辐射的偏振方向产生细微旋转。现在和将来的望远镜观测计划就在寻找这种偏振方向的旋转。如果将来几十年都看不到这种偏振方向的旋转，尽管暴胀理论不会被完全否定（有可能因为旋转太微弱而无法识别），但并没有预言偏振方向旋转的反弹理论就更可能成立。 很快，几个团队已经有了进展。极其重要的是，物理学家们在去年已经提出了 两种新的反弹机制。其中一个模型是由哥伦比亚大学的Anna Ijjas提出的，这一模型是她和以前的导师，普林斯顿大学高调支持大反弹理论的宇宙学家Paul Steinhardt共同完成的理论的扩展，描述这一模型的论文即将发表在Journal of Cosmology and Astroparticle Physics上。更令人惊讶的是，另一个新的反弹理论的提出者们以前和反弹宇宙学研究并没有联系，他们是Peter Graham，David Kaplan和Surjeet Rajendran，一个有名的『铁三角』，以前专攻粒子物理学问题。宇宙学中，大爆炸理论和大反弹理论针锋相对，而这一学科中的这些进展是十分值得关注的。 2001年，Steinhardt和另外三个宇宙学家表示，宇宙历史中的一段缓慢收缩可以解释为什么我们现在看到的宇宙会超乎想象地光滑和平整，甚至在经过反弹后依然如此，而且这一理论不需要一个暴胀阶段。这使得大爆炸对大反弹的争议有了新的意义。 宇宙的平整度堪称完美，天空中并没有任何一个区域的物质明显多于另一区域，我们的望远镜视野所及之处也都极为平直，而这是一个很大的迷。要符合现在宇宙的均匀程度，专家推断，在宇宙只有一厘米大小时，各处的密度涨落不超过十万分之一。但在宇宙由更小的尺度开始膨胀的过程中，物质和能量本应该立刻聚集在一起并扭曲时空。那么为什么我们的望远镜没有观测到一个被引力扭曲的宇宙呢？ AnnaIjjas，哥伦比亚大学理论宇宙学家 图片来源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine 2001年关于宇宙收缩的论文的合著者包括Steinhardt，Justin Khoury和Burt Ovrut，还有一位是加拿大圆周理论物理研究所所长，宇宙学家Neil Turok。Neil说：『暴胀理论的提出是因为有人觉得宇宙一开始就十分均匀而且平直的想法过于疯狂。』在暴胀的过程中，厘米尺度的区域是由一个更小的区域指数膨胀而来的，这一区域的大小不超过一亿亿亿分之一厘米。只要这个小区域充斥着光滑平整的暴胀场，也就是说它的能量分布不随时空涨落，那么这个小区域就会膨胀为一个巨大而光滑的宇宙，正如我们的宇宙这样。马里兰大学理论物理学家Raman Sundrum说他最欣赏暴胀的一点是『这个理论中有一种容错性』。如果在快速膨胀的过程中有能量聚集并使得特定区域中的时空发生翘曲，这处能量聚集也很快会被暴胀抹掉。Sundrum说：『如果你做一些和数据展示的结果相反的小改动，你会发现结果还是会回归到原来的数据所显示的状态。』 然而，仍然没有人知道这一小块时空究竟从何而来，也没人知道它为何一开始就如此光滑平坦。理论工作者已经找到很多种将暴胀场整合在弦论中的方法，而弦论则是一种有望揭示引力的量子性质的理论。但现在还没有证据证明这些想法是对还是错。 宇宙暴胀也带来了一个富有争议的结果。这个理论在上世纪八十年代由Alan Guth，Andrei Linde，Aleksei Starobinsky和Steinhardt提出后，很自然地引发了一个假设，这个假设认为我们的宇宙是充满泡沫的无限多重宇宙海洋中的一个随机的泡泡。计算显示，暴胀一旦开始，就会永远持续下去，只有在旁边和我们宇宙一样的泡泡宇宙诞生时才有所停留。无限多重宇宙海洋的可能性或许意味着我们永远无法完全理解我们所处的宇宙，因为在多重宇宙中任何可能发生的事情都会发生无数遍。专家们对于这个问题有着直觉层面的分歧。许多人已经接受了我们的宇宙只是很多宇宙中的一个的想法。而Steinhardt认为多重宇宙的想法纯粹是『无稽之谈』。 大爆炸其实可能是大反弹？
这种情绪或多或少地使得他和其他研究者的观点转向了反弹理论。Turok说：『反弹模型并没有暴胀。』与暴胀相反，他们在反弹前加入了一段时间的收缩，这种收缩就可以解释我们宇宙的均匀性。他说：『你所处的这个房间中的气体是处处均匀的，这是因为气体分子在不断地碰撞，并处于平衡状态。同样，假如宇宙很大，并且缓慢地收缩，那么就有充足的时间使得宇宙变得光滑均匀。』 尽管收缩宇宙的模型一开始十分复杂，不甚完美，但是宇宙缓慢收缩可以解释现在膨胀的宇宙的很多特点，这一基本观点还是逐渐得到了很多研究者的接受。Steinhardt说：『现在我们的瓶颈真的变成了一个瓶颈——反弹。』正如Ijjas所说：『反弹一直是这个理论中有困难的部分。如果你能完成收缩过程，那么人们会觉得很有趣，但是假如你不能完成膨胀过程，那么就不怎么有趣了。』 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine 反弹并不简单。在上世纪六十年代，英国物理学家Roger Penrose和史蒂芬·霍金证明了一系列所谓的『奇点定理』，奇点定理显示，在大多情况下，收缩的物质和能量会不可避免地挤压成一个无限致密的点，这个点就叫做奇点。根据这些定理，收缩时的宇宙中物质和能量都向内收缩，很难想象为什么宇宙不会坍缩为一个奇点，在奇点处，爱因斯坦关于时空的经典理论都会崩溃，取而代之的是未知的量子引力理论。为什么收缩的宇宙不会像大质量恒星一样，最终坍缩为黑洞中心的奇点呢？ 两个新提出的反弹模型都利用了奇点定理中的漏洞，多年以来人们都将这其视为理论发展的死胡同。反弹宇宙学家很久以前就意识到了一点：假如宇宙中有负能量的物质（或者其他能产生负压力的物质），那么这些物质就可以产生和引力相反的作用，使得物质分散开来，这样一来反弹就可能发生了。他们从本世纪初开始就尝试利用奇点定理中的漏洞，但是他们总会发现在模型中加入负能量物质会使得宇宙变得不稳定，因为零能量的真空中可能同时发生正负能量的量子涨落，这些量子涨落都不易控制。2016年，俄罗斯宇宙学家Valery Rubakov和同事们甚至证明了一个『禁止』定理，这个定理似乎说明了很多反弹机理都是不可行的，就因为那些很『诡异』的量子涨落的不稳定性。 然后Ijjas发现了一种反弹机理，这种反弹机理可以不受『禁止』定理的约束。她模型中的关键因素就在于『标量场』，根据她的理论，标量场在宇宙收缩，能量集中的过程中起到了重要作用。这个标量场会和引力场相互作用，并对宇宙产生负压力，让收缩过程逆转并使得时空分散开，这样一来宇宙就不会有不稳定性。德国马普引力物理研究所的理论宇宙学家Jean-Luc Lehners也在反弹理论方面工作过，他评论Ijjas的论文时说道：『在为摆脱不稳定性和为这种物质建立一个稳定的模型所做的尝试中，这是最好的了。』 这两种模型真正有趣的地方是它们的『非奇异性』，这也就意味着宇宙在收缩时不会变为一个点，在缩小到一定程度时就会开始扩张。于是这些反弹就可以完全通过经典引力理论来描述，而不必考虑引力的量子性质。 左起：斯坦福大学的Peter Graham，约翰霍普金斯大学的David Kaplan和加州大学（伯克利）的Surjeet Rajendran 图片来源：Linda A. Cicero/Stanford News Service, Will Kirk/Johns Hopkins University, Sarah Wittmer 另外，斯坦福大学的Peter Graham，约翰霍普金斯大学的David Kaplan和伯克利加州大学的Surjeet Rajendran在2017年9月在预印本网站arxiv.org上发表了他们的非奇异性反弹理论。他们是在考虑宇宙历史中的收缩时段能否用来解释宇宙学常数的值时建立这个理论的。宇宙学常数定义了时空中暗能量的多少，而正是暗能量使得宇宙加速膨胀，它的值为何如此之小，一直是个谜。 为了解决理论中最困难的问题——反弹，这三个研究者研究了奇点定理中另一个已经被很多人遗忘的漏洞。他们从逻辑学家Kurt Gödel在1949年提出的一个具有奇怪特征的宇宙模型中得到了启发。当时Kurt Gödel是爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的同事，他们经常一起散步。Gödel用广义相对论原理构建了一个旋转的宇宙，正如地球绕着太阳的旋转使得地球免于落入太阳一样，宇宙的旋转使得宇宙避免在引力的作用下发生坍缩。Gödel尤其喜欢它的旋转宇宙能够允许『类时闭合曲线』的存在，也就是时间上的循环，而这就引发了各种问题。他有生之年都一直都在迫切地等待证据证明宇宙确实在按他预言的方式旋转。研究者现在知道了其实宇宙并不是Gödel所想的那样。假如Gödel是对的，那么宇宙就会存在一个特殊的方向。但是Graham和同事们开始考虑那些有可能存在的，很小的，被卷曲的维度，比如弦论所预言的宇宙的另外六个维度。收缩的宇宙有没有可能在这些方向上旋转呢？ 想象有这样的一个卷曲起来的额外维度，即空间中任意一点都能找到的一个小圈。正如Graham所说：『空间中每一点都有一个你可以进入的第四个空间维度，但是你只能沿这个维度走一小段距离，然后就会回到原来的位置。』如果至少有三个额外的紧致化维度，那么随着宇宙的收缩，物质和能量开始在其中旋转，维度本身就会随着物质和能量一起旋转。这种额外维度的涡流很快就会引起反弹。Graham说：『所有原本会坍缩到奇点的东西会因为另一个维度的旋转而相互错过，这有点像引力弹弓效应。所有的东西原本都会聚集于一个点，但是它们相互错过并重新散开。』 反弹理论将走向何方？
这篇论文不仅仅吸引了一般的反弹宇宙学家。加州理工学院理论物理学家Sean Carroll尽管对论文存疑，但是仍然觉得这个想法『非常聪明』。他说发展传统的暴胀理论的替代理论十分重要，哪怕只是要通过对比看看暴胀理论有何优势，尤其是当2020年代初下一代望远镜开始投入使用来观测因为暴胀产生的那些标志性背景辐射痕迹。Carroll说：『尽管我认为暴胀理论很可能是对的，我还是希望能有其他不同的理论出现。』马里兰大学物理学家Sundrum说自己也有同样的想法，他说：『有的问题十分重要，即使只有5%的几率成功，你也会孤注一掷，而这篇论文给我的就是这种感觉。』 Graham，Kaplan和Rajendran在探索他们的反弹理论以及可能的实验观测结果。而目前Ijjas和Steihardt正在与普林斯顿的Frans Pretorius合作，要进行计算机模拟。（Simons基金会赞助了他们的研究，而Simons基金会也是Quanta Magazine的资金来源）两种反弹机制都需要更加完善稳定的宇宙模型来描述整个宇宙的演化历史。 除了这些非奇异性的反弹理论，其他的研究者也在探索的理论，在这些理论中，宇宙会收缩到奇点，在这个过程中能量极高，未知的量子引力规律会使得时间和空间的性质与我们通常理解的不同。在将来的工作中，Turok和同事正在准备提出一个模型，在这个模型中，宇宙由奇点向过去和将来对称地膨胀。Turok说这种两叶宇宙存在的证据和正负电子对在真空中持续的突然产生和消失是等价的。他说：『理查德·费曼说正电子可以视为电子在时间轴上反向运动。它们是两种粒子，但是它们也确实是等价的，在特定的时间它们出现又消失。』他又说：『这个想法是非常非常深刻，而且很可能大爆炸的过程是相似的，宇宙和反宇宙都是从虚空中产生的，而导致它们产生的就是物质的存在。 这个正反宇宙的反弹模型仍然有待观测结果的验证，但是Turok喜欢这个模型的简洁性。在他看来，大多数宇宙的模型都过于复杂。而他说这个宇宙『看起来极为有序，对称和简单』，这对于理论工作者来说是很令人激动的，因为它告诉我们很可能有一个尽管难以发现，但是简单的理论等待着发掘，而这个理论有可能解释宇宙最诡异的性质。』
作者 | Natalie Wolchover 翻译 | 刘博尧 审校 | 韩晶晶 | 
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