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宇宙诞生的另一个版本

2012-12-28 15:28 作者:苗千来源:三联生活周刊
“爱情到底是怎么一回事——他来的时候我还不曾出世。”与诗人对爱情的追问一样,宇宙学家们也在追问,宇宙到底是怎么一回事?早在宇宙学出世之前,这个问题就已经成为人类最大的迷惑。

文在广义相对论出现之后诞生了宇宙学,人类第一次能够通过科学手段来研究宇宙诞生和发展的过程。随着人类对宇宙观测的深入,一个动态的宇宙模型取代了传统的静态宇宙模型——近年来宇宙学研究最主要也最令人惊奇的一个发现,就是宇宙正在加速膨胀,对这个发现做出重要贡献的科学家萨尔·波尔马特(SaulPerlmutter)、布莱恩·施密特(BrianP.Schmidt)和亚当·里斯因此获得了2011年诺贝尔物理学奖。但是一个膨胀的宇宙带给了人们更多困惑,这意味着宇宙会有一个开端,也意味着宇宙有年龄。

现代宇宙学理论认为,宇宙诞生于大约137亿年前的一次宇宙大爆炸,在宇宙诞生的10-36秒之后,婴儿时期的宇宙经历了一次急剧膨胀,在10-33秒的时间里,宇宙的体积膨胀了1078倍,这次急剧膨胀也形成了我们现在居住的宇宙的基本架构,这个过程被称为宇宙暴涨。

 

2011年诺贝尔物理学奖获得者萨尔·波尔马特

尽管宇宙暴涨理论最初并不被人信服,但是在20世纪80年代,这个理论解决了宇宙学两个重大疑问:为什么我们的宇宙空间几乎是平直的(曲率非常小)?为什么宇宙空间中遥远的各处看上去相互关联?这使宇宙暴涨理论获得了许多支持者。随后,支持这个理论最有力的证据——宇宙背景辐射被发现,这是在137亿年前宇宙暴涨时留在空间内的回响,这个证据使得暴涨理论成为被宇宙学家们普遍接受的科学理论。

疑问与矛盾依然存在。如果初生宇宙经历过一次从极小到极大的暴涨,那么,宇宙在诞生之后、暴涨之前,又发生了什么?如果把宇宙正在加速膨胀的过程回溯,时间反演,我们就会看到宇宙逐步收缩,最后回到了一个极小的原点,也就是宇宙诞生的那一刻。在宇宙暴涨之前,还在婴儿时期的宇宙处于一种密度和温度都极高的状态,这是一种极为特殊的状态,物理定律在这种状态下也不再成立,因此,人们现在无法了解在宇宙诞生之后、暴涨之前这段时间所发生的一切。

宇宙从刚刚诞生到一普朗克秒(10-43秒被称为1普朗克秒,这个时间被认为是宇宙中最小的时间单位)之间的这个特殊时期,被称之为“普朗克时代”。宇宙学家们希望可以了解宇宙在诞生之后的每一个细节,他们对于在普朗克时代宇宙状态的模糊不清无法满意。宇宙为什么会忽然发生暴涨?在暴涨之前一定还有其他的过程,但是宇宙学家们至今仍然没有足够有力的理论武器来解决这个问题。

根据宇宙大爆炸理论,宇宙诞生于一个奇点,而诞生初期的宇宙也只存在于一个极小的范围内,它的整个长度甚至小于普朗克长度(普朗克长度大约只有1.6×10-35米,远远小于现在的基本粒子,根据现代物理学理论,普朗克尺度是宇宙中最小的长度单位),如何处理比普朗克长度更小的尺度上的问题,现代物理学无能为力。

在极小的范围内,人类现实生活中常常被忽略的引力会变得与其他三种相互作用的强度相类似。因此,研究在普朗克长度的尺度之下的物理学,科学家们不光需要利用描述物质在微观状态下行为的量子力学,也需要通过几何语言来描述引力的广义相对论——要想深入理解宇宙的诞生过程,最终需要量子力学和广义相对论的结合。

对于量子力学与广义相对论结合的研究,正是现代物理学研究的最前沿。目前,在这个领域有两个主要的分支:弦理论和圈量子引力理论。目前最为流行的是弦理论,弦理论学家们一直致力于发展出一个物理学的大统一理论,用来解释一切物理学现象。相对而言,在20世纪80年代才逐步发展起来的圈量子引力理论还不够完善,研究者也比较少(做一个粗略的数字比较,有452人参加2007国际弦理论会议,156人参加2007国际圈量子引力会议)。

弦理论的蓝图更加广阔,目前的发展也更为迅速,但是弦理论本身是建立在一个假设之上,即我们生活的宇宙是由11个维度的时空所构成,除了时间维度和三个空间维度之外,其他的维度都微小而卷曲,通常不被察觉。目前没有任何实验可以验证(也无法否定)这个令人惊奇的假设,因此弦理论至今也只能作为一个漂亮的数学模型而不是被物理学家们普遍接受的物理理论。圈量子引力理论相对现实,它希望可以结合量子力学和广义相对论,首先统一这两个基础物理学的支柱理论。圈量子引力理论得出的结论同样令人惊奇:它描述了引力的量子化特性,同时,就像是物质和能量的量子化一样,时空本身也是量子化的,时空是一种在极小尺度下的“编织物”,被称为“自旋泡沫”。

2011年诺贝尔物理学奖获得者布莱恩·施密特

弦理论与圈量子引力这两种理论仍然在发展中,“胜负”尚难预料,科学家们还不知道未来物理学的基础理论将是什么面目,但是如果把前沿的物理学假说运用到宇宙学中,却可以给宇宙学家们一些另类的启示。德国物理学家马丁·德约沃尔德(MartinDojowald)首先把圈量子引力理论运用到宇宙学中,随后,在其他圈量子引力学家的努力下,发展出了圈量子宇宙学,它得出了不同于传统宇宙学观点的结论。根据圈量子引力理论的推导,引力作用在极小的距离上会发生变化而转变为斥力。这种斥力可以避免奇点的存在,宇宙不再是诞生于一个密度无限大的奇点中——物理学只能够处理有限的情况,物理学家们对于无限条件下的奇点无能为力,圈量子宇宙学把物理学家们从无限的尴尬中解脱了出来。

不存在宇宙大爆炸的奇点,也就是说,并不存在“宇宙大爆炸”,替代这个概念的则是“宇宙大反弹”——圈量子宇宙学家们认为,宇宙在某种条件下开始收缩,收缩到极小的普朗克长度以下后,引力转化为斥力,这个微小的宇宙开始大反弹,进而出现了宇宙暴涨。圈量子宇宙学描述了普朗克长度以下宇宙的状态,并且把初生时期的宇宙状态和宇宙暴涨理论结合到了一起。与之类似,宇宙中由坍塌的恒星所形成的黑洞也不再是由密度无限大的奇点所构成,通过圈量子宇宙学,宇宙学家们可以计算出黑洞的熵值。

还在发展中的理论总会给人们带来希望,但是人类目前仍然无法通过实验来验证弦理论或是圈量子引力理论提出的各种假说。2011年12月,法国科学家奥雷利安·巴洛(AurélienBarrau)和他的同事在《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)杂志上发表论文《通过黑洞蒸发探索圈量子引力》(ProbingLoopQuantumGravitywithEvaporatingBlackHoles),探讨通过实验验证圈量子引力理论的可能性。圈量子引力理论对于黑洞蒸发辐射的预测与现在物理学家们普遍认同的霍金辐射有所不同,因此,只要人们可以通过实验测量黑洞的辐射情况,就可以验证圈量子引力理论正确与否。但是这个实验计划在很长一段时间内也只能存在于理论中,因为以人类目前的科技水平,还远不能去实地探测黑洞的辐射。

我们的宇宙究竟诞生于一次“大爆炸”,还是一次“大反弹”,这将是宇宙学家们长久研究和争论下去的话题。

 

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