http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-12-31
我们的宇宙始于137亿年的大爆炸，在那之前呢？宇宙是有一个开端，还是永恒存在着？来源：WMAP
(文／Marcus Chown) 正如所有的大问题一样，宇宙的起源问题很难回答。宇宙是一直存在的吗？近些年来，物理学中的一些大牛为此争论不休，有些认为无论我们回溯多久，宇宙都一直存在，还有一些人则持相反意见，认为一定有什么事件发生，导致了宇宙的创生。双方都声称，观测证据支持自己的看法，所以定论似乎一直都遥不可及。
但是2012年年初，宇宙学家亚历克斯 维连金(Alex Vilenkin)和奥德丽 米萨尼(Audrey Mithani)声称，他们结束了这场争论。他们发现了宇宙不可能一直存在的原因。不过大自然总是有予有夺，尽管宇宙必定存在一个开始，但其肇始的真相可能已经迷失在了时间的迷雾之中。
现代宇宙学始于1916年，当时爱因斯坦将他新建立的引力理论——广义相对论，应用于他能想到的最大引力质量——整个宇宙。像牛顿一样，爱因斯坦偏爱一个不变的宇宙，一个永恒存在从而无始无终的宇宙。要想得到这样的宇宙，爱因斯坦意识到，为了抵抗使宇宙万物相互吸引靠近的引力，空间本身必须存在一种怪异的排斥。
不幸的是，爱因斯坦的静态宇宙仍然不稳定。就像英国物理学家阿瑟 爱丁顿(Arthur Eddington)后来指出的，这样的宇宙乃是平衡在无限膨胀和无限收缩间的刀锋之上。进一步的撼动来自于1929年，美国天文学家埃德温 哈勃(Edwin Hubble)观察到，星系如一个个宇宙飞镖般相互远离，结论是我们的宇宙正在膨胀。
但是如果宇宙正在膨胀，一个自然而然的推论就是，它过去一定比现在小。如果我们如此一路反演下去，最终在某个很早的时刻，所有物质挤压在一个极小的体积中——这就是大爆炸。
由此发展出的大爆炸理论，描述了宇宙自一个极热、致密的状态演化到今天的过程，但对于是什么导致了大爆炸，这个理论只字未提。这一直是一个悬而未决的问题，大爆炸之前究竟发生了什么？宇宙真的存在一个开端吗？
可以想见，在这种情况下，对永恒宇宙理论的呼声越来越高，主要就在于它能避免诸如起源之前这样的尴尬问题。1948年，弗雷德 霍伊尔(Fred Hoyle)、赫尔曼 庞蒂(Hermann Bondi)和汤米 戈尔德(Tommy Gold)提出，随着宇宙的膨胀，星系间的空隙中不断喷涌出新的物质，进而形成新的星系。在这幅稳恒态宇宙图像中，今天的宇宙与过去并无二致，而且未来也是如此。宇宙无始无生，历永恒而存在。
然而，稳恒态宇宙理论受到两个观测结果的夹击。其一是20世纪60年代发现，深空宇宙图像反映出来的早期宇宙与今天的宇宙不同；其二是1964年发现的大爆炸火球的余烬——宇宙微波背景辐射。近些年，美国国家航空航天局(NASA)的威尔金森微波背景各向异性探测卫星(WMAP)又对宇宙背景辐射进行了细致的测量，表明大爆炸发生的时间是137亿年之前。
永恒的裂痕
对稳恒态宇宙的进一步质疑来自理论分析。上世纪60年代，罗杰 彭罗斯(Roger Penrose)和史蒂芬 霍金(Stephen Hawking)还是英国剑桥大学的两个搞理论的年轻小伙儿。他们的工作表明，如果你将宇宙的膨胀进行反演，最终不可避免会达到一个点。这个点被称为奇点(singularity)，因为诸如密度和温度这样的物理参数，在这一点会直逼无穷。更糟糕的是，物理学在此分崩离析，我们无法预言奇点背后有些什么。按照彭罗斯和霍金的理论，大爆炸是宇宙确确实实的开端。
那么，故事结束了吗？当然没有。后来的研究发现，彭罗斯和霍金的奇点理论中隐藏着一个缺陷。按照牛顿理论，物体的引力大小只取决于质量，爱因斯坦的洞见则昭示出，引力还依赖于物体的能量密度及其内部压力。后者至关重要，因为在推导他们的理论时，彭罗斯和霍金假设空间的压力一直很小，而且始终是正值。但要是这个假设不成立呢？“仅此一点就打开了通向各种现代宇宙学理论的大门，它们压根不把大爆炸视为宇宙开端，”维连金说，“首当其冲的就是暴涨(inflation)理论。”
宇宙或许就像一片永恒沸腾的海洋，每一处都不断有气泡出现和扩张，而我们就处在一个137亿年前产生的大气泡中。来源：www.mystics.eu
在维连金参与创建的这个理论中，暴涨始于一个具有异常高能量的真空态，并且具有负压力。这两个特点赋予真空以排斥引力，使物质分离而非吸聚。这使得真空进一步膨胀，从而斥力更大，由此暴涨愈演愈烈。
但是暴涨的真空本质上是量子的，因此并不稳定。随处都有小块真空随机衰变成普通的真空。你可以将暴涨真空想象成一个正在沸腾的海洋，每一处都不断有气泡出现和扩张。暴涨真空的能量必须要有个去处，它们最终转变成物质，又将每个泡泡中的物质加热到地狱般的高温，由此制造出一个个大爆炸。我们的宇宙就处在这样一个由137亿年前的一场大爆炸产生的泡泡之中。
暴涨的一个迷人特征就在于，它是永恒的。高能真空产生的速度比衰减到普通真空所带来的蚕食要快得多，这就意味着，暴涨一旦开始，就永远不会停止，宇宙会一直沸腾下去。由于永恒暴涨避免了令人沮丧的奇点，因此宇宙有可能自无穷久远以来就一直维持着这样的沸腾状态。
暴涨与我们今天所有的观测都不矛盾，维连金相当确信，该理论的核心是正确的。不过永恒暴涨也面临一个问题。2003年，维连金与纽约南安普顿大学的阿尔温德 博尔德(Arvind Borde)和暴涨理论先驱、麻省理工学院的阿兰 古斯(Alan Guth)合作时，首先发现了这个问题。
在不对能量和引力做任何假设的前提下，他们计算了宇宙演化的过程。唯一的假设是，平均而言宇宙是膨胀的。“令我们惊讶的是，在宇宙各种可能的过去当中，大多数时空都不会一直持续到永远，”维连金说，“暴涨必定有一个开端。”
不过暴涨也只是逐鹿群雄之一，其它的宇宙图景是不是也必定包含一个开端呢？2012年年初，维连金和他在塔夫斯大学的同事奥德丽 米萨尼合作，对另外两种有代表性的宇宙学图景进行了检验。
第一个图景是在弦论中发展起来的“循环宇宙”，由加拿大圆周理论物理研究所的尼尔 图罗克(Neil Turok)和普林斯顿大学的保尔 斯坦哈特(Paul Steinhardt)提出。
在这幅图景中，我们的宇宙是镶嵌在更高维空间中的一个四维岛屿，或者说四维的“膜”。它与第二张膜频繁碰撞。你可以将这两张膜想象成两片相互平行的面包片，在第五维相互靠近，然后穿过对方，分开一段距离，接着又互相靠近。每当这两片膜接触，它们沿着第五维的巨大动能就转化成物质，并随之将其加热到极高的温度。在生活在其中一张膜上的观测者看来，这与一场大爆炸无异，而且能形成与今天的宇宙一样的微波背景辐射和星系分布图案。不过这是没有开端的大爆炸，因为这两张膜永远都处于碰撞循环之中。
宇宙或许是高维空间中的两张四维膜，相互碰撞时就会产生我们所说的大爆炸。来源：fc2.com
然而，维连金和米萨尼已经发现，循环宇宙不可能永无止境地向未来和过去延伸，因为在该理论中，每循环一次，膜就会膨胀一些，这意味着博尔德－古斯－维连金的开端判定理论仍然适用。维连金说，“如果你像电影倒带一样反转这一过程，循环宇宙要么会碰到一个奇点，要么就会有一个类似暴涨的开端。”
维连金和米萨尼考察的另一个宇宙学图景，比循环宇宙和暴涨理论更为怪异，那就是南非开普敦大学的乔治 埃利斯(George Ellis)和英国朴茨茅斯大学的罗伊 马尔滕斯(Roy Maartens)设想出来的“涌现宇宙”(emergent universe)。它从一个很小的静态宇宙开始，这个宇宙已经存在了无限时间，直到某个时刻突然被触发而开始暴涨。弦论中的确会出现同样的情况，所以它并非完全是空穴来风，但用维连金的话说，“它多少有些剑走偏锋” 。
要用模型描述一个从永恒午睡中突然醒来的宇宙，可不那么简单。就像爱因斯坦的静态宇宙因为不稳定而要用宇宙排斥来调和一样，埃利斯和马尔滕斯必须用两味怪异的调料来稳定他们的涌现宇宙：具有负能量的真空，还有被称为畴壁(domain wall)的时空中的假想线。畴壁是粒子物理学中某些模型所具有的性质，能在宇宙微波背景辐射中留下印痕，目前还没有观察到这样的印痕，但这也可以解释成印痕被暴涨抹平了。
自发塌缩
维连金和米萨尼对埃利斯和马尔滕斯的做法不以为然。“表面上看起来，他们调节出了一个稳定的宇宙，”维连金批评道，“但是，我们发现它仅在忽略量子效应时才稳定。”
按照量子理论，宇宙不可能永远保持在最小尺寸，它有一定的概率会自发塌缩。“尽管这个概率非常非常小，但由于暴涨前的时间是无穷的，因此再小的概率也必然会发生，”维连金解释道，“换言之，如果我们生活在一个涌现宇宙中，它就不可能永恒存在过”。马尔滕斯认为，这种量子不稳定性“不无道理”，但是他认为这不一定就意味着宇宙必然有个开端。“这是一个很深刻的问题，需要一个成熟的量子引力理论才能解决，”马尔滕斯说，“不幸的是，我们还没有这样的理论。”
不过维连金和米萨尼断言，在现有物理学的框架内，无论从什么角度来看我们的宇宙，它都不可能永恒存在过，因此开端是必然的。但它是如何开始的？在维连金看来，量子理论中包含着一个答案，因为量子理论允许东西从虚空中产生，那为什么就不能产生一个很小的宇宙，然后再开始暴涨、循环，或者沉寂很长时间后再突然暴涨呢？
我们现在能确定无疑宇宙必然有一个开端了吗？还是说，这是一个信则有不信则无的理不清的循环？“有史以来，我们第一次拥有了能科学解答这个问题的各种工具”，维连金说，“所以我觉得我们正在逼近真相。”
不过观测到这个终极起源的希望，正变得越来越渺茫。就在维连金和米萨尼发表他们的结果之后不久，美国斯坦福大学的伦纳德 萨斯坎德(Leonard Susskind)用两篇文章进行了回应。在这两篇文章中，萨斯坎德认为，即便宇宙确实存在一个开端，离现在也是久远之极，以至于无论从任何实际角度来看，宇宙都像是永恒存在一般。
他给出的理由是，空间是指数暴涨的，随着时间的流逝，真空的体积会变得极其庞大。如果有更多其他宇宙泡泡存在，我们称之为宇宙的这个真空泡，就不太可能是早期形成的。因此真正的开端很可能远到天荒地老，远到不可能在我们这个宇宙中留下任何印记。萨斯坎德说：“我发现，宇宙必定有一个开端这种说法有些模棱两可，但可以肯定的是，就算有，其时间之早也无可估量。”
维连金也承认这一点。“这可真讽刺，”他说，“宇宙必定有个开端，但我们永远也无法弄清楚它究竟是如何开始的。”
尽管如此，宇宙学家还有很多其他的大问题可以围着团团转。如果宇宙的开端来自量子效应，那么量子理论必定在宇宙开始之前就业已存在，于是问题来了：那量子理论又从何而来呢？“我们不知道，”维连金承认，“我认为这是一个完全不同的问题。”即便找到宇宙萌生的那一刻，我们会发现，很多问题真的才刚刚开始。
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