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如果宇宙始于大爆炸,那么大爆炸始于?

时间:2022-01-11 10:00:00 来源:一念之间 浏览次数:54 我来说两句(0) 字号: T T

1970年,史蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯发表了一篇著名的论文,他们证明了,如果让时间一直倒流,那么宇宙故事的开场将是大爆炸奇点。

今天,大多数人都听说过,宇宙始于约138亿年前的大爆炸,如果真的是这样,那么大爆炸又源于何处呢?

第一批物质

让我们先看看所谓的物理物质最初是如何产生的。

如果我们的目标是解释由原子或分子构成的稳定物质的起源,那么在大爆炸时确实还没出现这样的东西。

自大爆炸后,宇宙便开始膨胀和冷却。随着宇宙不断地冷却,一旦条件合适,第一批原子便会从更简单的粒子中形成,之后这些原子又会在恒星内聚变成更重的元素。我们对这些过程已经有了详尽地理解,但是这种理解并不能解决宇宙“无中生有”的问题。

因此,让我们再往前想想。最早的长寿命的物质粒子是质子和中子,它们共同构成了原子核。这些粒子在宇宙大爆炸后的万分之一秒左右出现。在那之前,确实没有任何我们熟悉意义上的物质。

但物理学可以让我们继续顺着时间线往回走,追溯到任何稳定物质之前的物理过程。

大统一时期

这就把我们带到了所谓的大统一时期。现在,我们已经进入了推测性物理学的范畴,因为我们还无法在实验中产生足够的能量来探测当时发生的那种过程。

但一种合理的假设是,物理世界是由短寿命的基本粒子场组成的。物质和反物质的量大致相当,每种物质粒子都有一个反物质的“镜像”伙伴,它们几乎相同,只在一个方面有所不同,也就是电荷相反。当物质和反物质相遇时,它们会在能量的闪光中湮灭,这意味着,这些粒子在被不断创造和毁灭。

但这些粒子最初又是如何存在的呢?

量子场论告诉我们,即使是真空,也就是“空无一物”的时空,同样充满了能量涨落形式的物理活动。这些涨落可以产生粒子,但它们很快就会消失。这已经在无数实验中被发现。

如果宇宙始于大爆炸,那么大爆炸始于?

时空真空状态中的粒子不断被创造并摧毁,这显然是某种意义上的“无中生有”。但也许这一切告诉我们的其实是,量子真空是“有物”的,而非空无一物。

普朗克时期

假设我们进一步追问,时空本身是从哪里产生的?那么我们就可以继续把时钟往前拨,回到真正古老的普朗克时期。这是一段在宇宙历史上早到我们最好的物理理论都会崩塌的时期,只存在于宇宙大爆炸后一万亿分之一的一万亿分之一的一万亿分之一的一千亿分之一秒的时间里。

在那一刻,空间和时间本身开始受到量子涨落的影响。物理学家通常分别利用量子力学和广义相对论进行研究,前者统治粒子的微观世界,后者则适用于巨大的宇宙尺度。但要真正理解普朗克时期,我们需要一个完整的量子引力理论,将两者合二为一。

我们仍然没有一个完美的量子引力理论,但已经有了一些尝试,比如弦理论和圈量子引力。

在这些尝试中,常规空间和时间通常被看作是涌现的,就像深海表面的波浪。我们所体验到的空间和时间是在更深层次的微观层面上运行的量子过程的产物,而这些过程对我们这些扎根于宏观世界的生物来说可能极具颠覆性。

在普朗克时期,我们对空间和时间的常规理解被打破了,我们也不能继续依赖我们对因果关系的常规理解。尽管如此,所有候选的量子引力理论都描述了在普朗克时期发生的一些物理现象,也就是常规空间和时间的一些“量子前身”。但那又是怎么来的呢?

不幸的是,到目前为止,在我们朝着万有理论的方向继续迈进之前,我们最好的物理学仍然无法给出任何明确的答案。

几乎从无到有的循环

为了真正回答“无中生有”的问题,我们需要解释普朗克时期开始时,整个宇宙的量子状态。所有试图做到这一点的尝试仍旧是高度推测性的。

彭罗斯提出了一个有趣但富有争议的模型,被称为共形循环宇宙学。

彭罗斯的灵感来自一个有趣的数学联系,也就是宇宙的炽热、致密、微小的状态和极寒、空旷、膨胀的状态两者之间的关联。

他解释这种对应关系的激进理论是,当这些状态达到极限时,它们在数学上是相同的。虽然这看上去很矛盾,但他认为,完全不存在物质的状态可能已经设法产生了我们在宇宙中所见的所有物质。

如果宇宙始于大爆炸,那么大爆炸始于?

在这种观点中,大爆炸产生于“无”。那是当一个宇宙中的所有物质都被吞噬进黑洞,而黑洞又蒸发成光子时剩下的东西。但无论多么空旷,它仍然是一个物理宇宙。

为什么同一个状态从一个角度看是一个寒冷空旷的宇宙,而从另一个角度看却成了一个炽热致密的宇宙?答案在一个复杂的数学过程中,叫作共形重标度,这是一种几何变换,它实际上改变了一个对象的大小,但使其形状保持不变。

彭罗斯展示了,寒冷空旷的状态和炽热致密的状态是如何通过这种重标度而被联系在一起的,从而使它们在时空的形状方面相匹配,尽管两者尺寸各异。诚然,当两个对象具有不同尺寸时,很难把握它们如何在这种层面上是相同的,但彭罗斯认为,在这种极端的物理环境中,尺寸已经不再是一个有意义的概念。

在CCC中,解释的方向是从古老寒冷到年轻炽热,炽热致密的状态的存在是因为寒冷空旷的状态。但这里的“因为”并非我们所熟悉的因果,也就是原因在时间上位于其结果之前的那种因果。

在这些极端状态下,不仅是大小不再有意义,时间同样如此。寒冷空旷的状态和炽热致密的状态实际上位于不同的时间线上。从观察者的角度来看,寒冷空旷的状态在它自己的时间几何中将永远持续下去,但它所产生的炽热致密的状态实际上单独位于一个新的时间线上。

循环的开始

CCC对我们宇宙的大爆炸从何而来的问题提供了一些详细的、但是推测性的答案。但是,即使彭罗斯的设想最终被未来宇宙学的进展所证明,我们可能会认为,我们仍然不会回答一个更深层次的问题,也就是一个关于物理现实本身来自何处的问题,换句话说,整个循环系统是如何形成的?

对于循环是如何开始的这个更深层次的问题的物理解释,大致有三种广泛的选择:它可能根本就没有物理解释;或者,可能有无休止的重复循环,每个循环本身就是一个宇宙,每个宇宙的初始量子状态由之前宇宙的某些特征来解释;又或者,可能有一个单一的循环,和一个单一的重复宇宙,这个循环的开始由其自身终结的某些特征来解释。

彭罗斯设想了一连串无休止的新循环,部分原因与他自己对量子理论诠释的偏好有关。在量子力学中,一个物理系统同时存在许多不同的状态的叠加,当我们测量它时,只能随机“选取”一个。

对彭罗斯来说,每个周期都涉及随机量子事件的不同结果,这意味着每个周期都会与之前和之后的周期有所不同。

这对实验物理学家来说其实是个好消息,因为它可能让我们通过普朗克卫星看到的大爆炸遗留辐射中的微弱痕迹或异常现象,从而窥视产生我们的古老宇宙。

如果宇宙始于大爆炸,那么大爆炸始于?

彭罗斯和他的合作者甚至认为,他们可能已经发现了这些痕迹,将普朗克数据中的模式归结为前一个宇宙中的超大质量黑洞的辐射。然而,他们声称的观察结果受到了其他物理学家的质疑。至今学界尚无定论。

无休止的新周期是彭罗斯设想的关键。但是,有一种自然的方法可以将CCC从多周期转换成单周期的形式。那么物理现实就包括通过大爆炸到遥远未来的极端空旷状态的单一循环,然后再循环回到一样的大爆炸,重新产生一样的宇宙。

后一种可能性与量子力学的另一种诠释相一致,它被称为多世界诠释。多世界诠释告诉我们,每次我们测量一个处于叠加状态的系统时,这个测量并不是随机选择一个状态。相反,我们看到的测量结果只是一种可能性,在我们自己的宇宙中上演的那一种。其他测量结果都是在多重宇宙中的其他宇宙中发生的,它们与我们的宇宙是隔绝的。因此,无论事情发生的几率有多小,只要它有一个非零的几率,就会发生在某个量子平行世界。

一些人认为,这种多重宇宙也可以在宇宙学的数据中被观察到,作为另一个宇宙与我们的宇宙相撞时留下的印记。

虽然彭罗斯并不同意这个想法,但多世界量子理论为CCC提供了一个新的转折点。我们的大爆炸可能是一个单一的量子多重宇宙的重生,它包含了无限多的宇宙,它们都是一起发生的。一切可能发生的事情都发生了,然后它又一次又一次地发生。

从有到无,从无到有

对于科学哲学家来说,彭罗斯的观点非常迷人。它为解释大爆炸开辟了新的可能性,使我们的解释超越了常规的因果。甚至对于神话爱好者来说,彭罗斯的愿景同样非常美丽,它暗含着一种从远古的灰烬中诞生的无尽新世界的图景。

最后一颗恒星将慢慢冷却并消逝。随着它的熄灭,宇宙将再次成为一片虚空,没有光,没有生命,也没有意义。

物理学家布莱恩·考克斯在纪录片《宇宙》中这样说道。

而最后一颗恒星的消逝将只是一个漫长的黑暗时代的开始。所有物质最终都会被巨大的黑洞吞噬,而黑洞又会蒸发成最微弱的光辉。空间不断向外扩张,直到即使是那些微弱的光也变得过于分散,再也无法发生相互作用。活动终将停止。

宇宙遥远的未来会是这样的吗?而这也是大爆炸的来源吗?

我们还没有答案。

#创作团队:

原文作者:Alastair Wilson

#参考来源:

https://theconversation.com/how-could-the-big-bang-arise-from-nothing-171986

#图片来源:

文首:Wikiart

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不代表中科院物理所立场

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