互动科普

大爆炸是原因还是结果？

大爆炸可能不是一次性事件

George Musser

奇点是宇宙学的有毒废物。人们善意地劝告理论，更别说孩子们了，不要去碰那些密度或温度无限的任何东西：比如大爆炸的零时间或黑洞的正中心。在这些地方，物理学就变成了形而上学。这些数学点不容许任何解释，它们就是如此。要解决之，宇宙学家通常选择坟墓。例如宇宙暴胀，是人们解释人类所在的宇宙如何从大爆炸膨胀而来所偏好的机制，但它并没有消除早期的奇点，而只是简单地把它和今天的宇宙分离开来。

当然，最近一种更彻底的去污方法正成为更切实可行的选择，特别是随着弦理论的日益完善，更是如此；弦理论是物理学家为万物理论提供的最佳后选。去年秋天．普林斯顿大学和剑桥大学宇宙学家Paul Sceinhardt和Neil Turok，Szdnhardt的研究生Justin Khoury以及宾夕法尼亚大学和普林斯顿高级研究所弦理论学家Burt A．Ovrut和Kathan Seiberg的研究成果为基础，提出大爆炸不是次性事件，而是反复发生事件的一部分。Sveinhardt说：“弦理论激励我们相信人爆炸并不像我们过去一贯认为部样是空间和时间的开始，即温度和能量的分离之处。相反，大爆炸是目前的膨胀阶段和之前的收缩阶段的转折点。”

很久以来，消除奇点就是弦理论的主要目标之一。弦理论认为，归根结底基本粒子由蠕动弦组成，蠕动弦有多维的对应物即所谓膜(brahe)。弦和膜的固有尺度阻止它们坍缩为密度无限的点。弦理论在将黑洞解释为一种新奇粒子方面已取得了一些成绩；并且过去十年间它激励人们对宇宙膨胀的标准图景提出了几种替代解释。

同上述某些替代解释一样，循环模型的基础是这样一种猜想：我们的字宙是作为某四维空间边界的一个三维膜。而另一个膜即类似的另一个宇宙离我们只有亚亚原子距离那么远。这个宇宙离我们的距离比自己的皮肤还近，然而它永远看不到也摸不着。

这两个膜就像被一根弹簧连在一起那样，当它们相互远去的时候，就被弹簧拉近；而当它们靠近的时候，又被弹簧推开。结果它们来回摆动两个膜就像打击乐器钹那样周期性地撞击和弹开。困于其中一个膜的人类来说，其碰撞看起来的确就像大爆炸。炽热的原始汤就是膜碰撞时浇进它们的能量。孕育了星系的密度涨落始于膜中的皱折。

很多宇宙学模型都是因密度变动这个问题而失败。观察表明，不管大小如何，密度变动的幅度都是一样的。循环模型(除膨胀外的唯一模型)准确地预测到了这一点。Ovrut说：“就算根本没有暴胀这个理论，我们也能解释那个几近变的振幅谱。那真是惊人的发现。”此外，与膨胀不同的是，循环理论自然地将暗能量融合在一起；暗能量目前正在使宇宙膨胀加速。它不是刚的什么东西，正是弹簧能量。

跟自行车打气筒一样，第四维的往返运动使我们这三维体积膨胀。泵允许一点倒流，因此就在每次碰撞前膜又略微收缩。但是密度永远也不会变成无穷大。Turok说：“唯一的奇点是，一维有时候收缩为零。这是所有可能的奇点中最好对付的。

遗憾的是，温和的奇点终归还是奇点。弦理论太不成熟了，根本不能完全消除它；因此研究人员能确定某些未知效应会不会抵消每一个循环为下一个循环所作的精心准备。该模型的主要批评者、斯坦福大学宇宙学家Andrei Linde问道：“小小摄动怎样经受大收缩？又怎样逃出去？这就像把一张椅子扔进黑涧．并希望它以后再显形。况且，问题还不只这一个；例如，弹簧样力的确切特性似乎相当特别。

有关宇宙微波背景辐射的新观察应当能够证实或者消除这些担忧。无论什么成为模型，它都会鼓励宇宙学家们普遍看法提出疑问。弦理论及其在宇宙学应用方面的先驱、欧洲核子研究中心的Gabriele Veneziano说：“我们圈内人士更加乐意接受大爆炸是某些事件的结果而是万物的原因这种理论观点，其中部分原因是受Turok、Steinhardt及其同事的研究工作所影响。”

宇宙大循环

循环宇宙思想似乎间或也有反复。它上一次出现是由以下可能性触发的。宇宙有足够的物质扭转它的膨胀，并在大收缩中坍缩。但观察已经排陈了这种可能性。

两个膜的循环

有关循环宇宙的早期模型存在一个致命的弱电：大收缩并不是大爆炸的完美镜像。随着空间的收缩，光子以引力场为代价获得能量，因此宇宙结束时比开始时热。不可能有真正的循环，该模型需要一次性大爆炸那样的终极开始。

新的循环模型解决了上述难题。暗能量引发的加速膨胀稀释了光子，因此每个爆炸重新开始。（这种加速与标准大爆炸理论中的膨胀起相同作用的作用，只是发生在宇宙史的不同时点而已。）宇宙可以无穷老，因此消除了什么发生在“之前”这个难点。

【陈春焕／译 曾少立／校】