如果宇宙并非起源于大爆炸

作者: JohnMarti | 来源:发表于2020-10-25 14:36 被阅读0次

根据暴胀大爆炸宇宙学的标准模型,宇宙“开始”于我们如今认为发生在138亿年前的一场热大爆炸,空间、时间和能量都通过这场爆炸产生。大爆炸理论的支持者认为,为了解释宇宙的平直性问题和视界问题,我们可以引入暴胀模型,假设宇宙在大爆炸之后的10-35到10-32秒之间发生了一场短暂的指数级剧烈膨胀。物理学家认为,这样急剧的膨胀将暴胀子场中的量子涨落印刻到了更大的宇宙结构中,并以细微的温度变化的形式留下了痕迹,这就是我们如今可以检测到的宇宙背景辐射。

从某方面来说,大爆炸模型是极其成功的。只需要6个参数,我们就能把大量且多种多样的宇宙学观测现象统一成一个整体。但另一方面,这个模型又是极其令人失望的:它的大部分内容都是我们不能解释的,而且我们也不能把理论应用于宇宙诞生之初,因为在大爆炸发生的一瞬间,它就完全失效了,也就是说在这个时间点所有已知的物理学定律都突然不起作用了。

这是因为广义相对论是一项经典(非量子)理论,它容许物体处于从无穷大到无穷小之间的任何尺度。在大爆炸背景下,无穷小的尺度表现为奇点。奇点的质能密度无穷大,相当于整个宇宙都被压缩成这个无穷小的点。从某种程度上说,奇点的存在让物理学家十分尴尬。

而且看起来,没有什么办法能轻易摆脱这种尴尬。有些理论物理学家认为,奇点之所以会出现,是因为求解爱因斯坦引力场方程所用的时空度规对称性太高了,如果我们在对称性较低的情况下求解,奇点就会消失。不过,1970年,彭罗斯在英国剑桥大学与当时还年轻的史蒂芬·霍金推导出了一系列奇点定理,他们的工作表明,在任何情况下,把广义相对论用在质能密度与时空曲率极高的地方,都会不可避免地产生奇点。

宇宙暴胀解释了平直性问题和视界问题,但没能解决暴胀前的初始条件如何,以及要形成我们如今观察到的宇宙需要多长时间的暴胀的问题。它解决了关于精细调节的一个问题,但又留给我们另一个问题。有些理论物理学家认为,普朗克卫星提供的关于宇宙背景辐射的最新数据并不支持最简单的“慢滚”近似暴胀模型。而且,如今的理论也没能解释为什么宇宙学常数是我们所观测到的这个值。

如果宇宙以一个恒定的速率一直膨胀下去,其标度因子就应该随着时间线性增加,这正是哈勃定律的内容:星系远离我们的速度,与它和我们的距离成正比。

哈勃定律中的比例常数被称为哈勃参数(H)。它等于a随时间的变化率(通常用ȧ来表示)再除以a。我们可以将ȧ看成膨胀或收缩的速度。在膨胀速率恒定的宇宙中,ȧ是固定的,而且大于零。在收缩速率恒定的宇宙中,ȧ是固定的,而且小于零。

然而,我们已经观测到,虽然我们的宇宙正在膨胀,但膨胀的速率并非恒定——膨胀速率ȧ自己也在随着时间而增大,也就是说我们的宇宙在加速膨胀。这意味着,哈勃参数并非常数,它会随着时间变化。我们所说的哈勃常数H0,就是哈勃参数今天所取的值。

理论物理学家很快意识到,博约瓦尔德得出的早期的圈量子引力解在哈勃参数方面会产生一些很不符合物理实际的可能结果。然而,学界对于将圈量子引力的技巧更系统性地应用于宇宙学理论框架中的兴趣与日俱增。

阿什特卡与博约瓦尔德、耶日·莱万多夫斯基、帕拉姆普雷特·辛格、托马什·帕夫洛夫斯基(Tomasz Pawlowski)和亚历杭德罗·科里基等人合作,推导出了更为细致而复杂的模型。

辛格和帕夫洛夫斯基发展出一套完整的数学与概念结构,并用计算机模拟得出了数值解。这些模拟既可以沿着时间正向进行,也可以反向进行。他们想知道宇宙在传说中的奇点附近会发生什么,于是沿时间反向运行了程序,看着时空如何收缩,发生一场“大挤压”(big crunch)。阿什特卡对他们见到的现象十分震惊。

反向运行的宇宙的表现基本符合预期,但它在接近极高密度的状态时,并没有坍缩成一个奇点,而是反过来开始膨胀了。

宇宙反弹了。

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