新浪科技訊 北京時間5月6日消息，據(jù)國外媒體報道，過去幾十年來，物理學(xué)家告訴我們，一開始宇宙處于密度和溫度都無限高的狀態(tài)，可以想象成一個無限稠密的小球體；然后，這個小球體爆炸了，產(chǎn)生了我們今天看到的原子、分子、恒星和星系。

    但最近，新的理論物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了一扇通向極早期宇宙的可能窗口，并指出這段時期可能根本就不是真正的“極早期”。相反，這可能只是最近一次“爆炸—反彈”周期的一部分。這樣的循環(huán)至少出現(xiàn)過一次，并可能永遠持續(xù)下去。

    當然，在物理學(xué)家決定拋棄大爆炸而選擇“大爆炸-反彈”周期之前，這些理論預(yù)測還需要經(jīng)過大量的觀察檢驗。

    大爆炸理論

    科學(xué)家對早期宇宙已經(jīng)有了很好的認識，這就是我們熟知并廣為接受的大爆炸理論。在這個模型中，很久以前的宇宙比現(xiàn)在小得多，熱得多，密度也大得多。在138億年前的早期宇宙中，構(gòu)成我們今天所有一切的元素都是在大約12分鐘內(nèi)形成的。

    大爆炸理論認為，甚至在更早的時候，在某一時刻，整個宇宙（包含所有的恒星，所有的星系，所有的一切）只有一個桃子那么大，而溫度超過千萬億度。

    令人驚訝的是，目前所有的觀察結(jié)果都證實了這個奇幻的故事。天文學(xué)家做了各種各樣的工作，從觀測年輕宇宙遺留下來的電磁輻射，到測量最輕元素的豐度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們都符合大爆炸理論的預(yù)測。就我們所知，這是目前對早期宇宙的最準確寫照。

    盡管如此，我們知道大爆炸理論的框架并不完整——有一塊拼圖不見了，而那塊拼圖就是宇宙本身最早的時刻。

    這是宇宙最大的謎題之一。

    火宇宙

    問題在于，我們用來理解早期宇宙的物理學(xué)（廣義相對論和高能粒子物理學(xué)的奇妙而復(fù)雜的大雜燴）只能把我們帶到大爆炸那一刻。當我們試圖把宇宙的最初時刻再向前推時，數(shù)學(xué)變得越來越難解，直到無法適用。

    物理學(xué)家尚未探索的一個重要問題是在大爆炸開始時存在的“奇點”，或一個密度無窮大的點。從表面上看，這告訴我們，在某一時刻，宇宙被塞進了一個體積無限小、密度無限大的點。這顯然是荒謬的，其真正代表的含義是，我們需要新的物理學(xué)來解決這個問題——目前的理論工具還不夠好。

    為了破解這一難題，我們需要一些新的物理學(xué)工具，一些能夠在超高能量下處理引力和其他力的東西。這正是弦理論所主張的，它可以作為一種能夠在超高能量下處理引力和其他力的物理模型。換言之，弦理論聲稱可以解釋宇宙的最初時刻。

    最早的弦理論概念之一是“火宇宙”（ekpyrotic universe），這個詞來自希臘文，意為“大火”。在這一概念下，我們所知道的大爆炸是由在它之前發(fā)生的其他事件引發(fā)的——大爆炸不是開始，而是一個更大過程的一部分。

    “火宇宙”的概念擴展之后，又產(chǎn)生了一種被弦理論激發(fā)的理論——循環(huán)宇宙（cyclic cosmology）。從技術(shù)上講，宇宙不斷循環(huán)往復(fù)的概念已經(jīng)有幾千年的歷史了，比物理學(xué)還早，但弦理論為這個想法奠定了堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。正如一般想象的那樣，這個“循環(huán)宇宙”不斷在大爆炸和大擠壓（big crunch）之間反彈，可能是回到過去的永恒，也可能是進入未來的永恒。

    按照大反彈理論，每次循環(huán)都以一個平滑的小宇宙開始，但不可能像奇點那么??；之后，這個小宇宙逐漸擴張，變得越來越大，越來越扭曲，達到一定程度后開始坍縮，同時變得越來越平滑，最終縮小到開始時的體積；接著又重新開始同樣的循環(huán)。

    在初始之前

    “循環(huán)宇宙”理論聽起來很酷，但早期的數(shù)學(xué)模型很難匹配觀測結(jié)果。當我們真正嘗試做科學(xué)研究時，這是非常重要的一個問題。

    最主要的障礙在于如何與宇宙微波背景的觀測結(jié)果相吻合。宇宙微波背景是宇宙誕生38萬年時遺留下來的熱輻射，被稱為“宇宙中最古老的光”。盡管我們不能直接觀測到宇宙微波背景之前的一切，但如果想從理論上著手對早期宇宙的物理學(xué)進行修補，就會影響到這些“余光”的模式。

    因此，循環(huán)宇宙似乎是一個簡潔但不正確的概念。但是，多年以來，科學(xué)家們一直懷揣著“火宇宙”理論的種子。在2020年1月發(fā)表在arXiv數(shù)據(jù)庫上的一篇論文中，加拿大麥吉爾大學(xué)的物理學(xué)家羅伯特·布蘭登貝格爾（Robert Brandenberger）等研究者探索了該理論的數(shù)學(xué)難題，并發(fā)現(xiàn)了一些此前沒注意的因素。他們發(fā)現(xiàn)，在“反彈”的時刻，即當宇宙收縮到一個極小的點并回到大爆炸狀態(tài)時，可以使理論預(yù)測與觀測檢驗的結(jié)果達成一致。

    換句話說，盡管這個關(guān)鍵時期的物理學(xué)非常復(fù)雜（而且了解還很有限），但確實會讓我們對宇宙的時間和位置有一個根本性的修正。當然，要完全檢驗這個模型，我們還必須等待新一代的宇宙學(xué)實驗。在那之前，“宇宙誕生之前是什么”還將是一個無解的問題。