新浪科技訊 北京時(shí)間5月6日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，過(guò)去幾十年來(lái)，物理學(xué)家告訴我們，一開始宇宙處于密度和溫度都無(wú)限高的狀態(tài)，可以想象成一個(gè)無(wú)限稠密的小球體；然后，這個(gè)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(shí)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(guò)一次，并可能永遠(yuǎn)持續(xù)下去。
當(dāng)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(cè)還需要經(jīng)過(guò)大量的觀察檢驗(yàn)。
大爆炸理論
科學(xué)家對(duì)早期宇宙已經(jīng)有了很好的認(rèn)識(shí)，這就是我們熟知并廣為接受的大爆炸理論。在這個(gè)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(rèn)為，甚至在更早的時(shí)候，在某一時(shí)刻，整個(gè)宇宙（包含所有的恒星，所有的星系，所有的一切）只有一個(gè)桃子那么大，而溫度超過(guò)千萬(wàn)億度。
令人驚訝的是，目前所有的觀察結(jié)果都證實(shí)了這個(gè)奇幻的故事。天文學(xué)家做了各種各樣的工作，從觀測(cè)年輕宇宙遺留下來(lái)的電磁輻射，到測(cè)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(cè)。就我們所知，這是目前對(duì)早期宇宙的最準(zhǔn)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(shí)刻。
這是宇宙最大的謎題之一。
火宇宙
問(wèn)題在于，我們用來(lái)理解早期宇宙的物理學(xué)（廣義相對(duì)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(dāng)我們?cè)噲D把宇宙的最初時(shí)刻再向前推時(shí)，數(shù)學(xué)變得越來(lái)越難解，直到無(wú)法適用。
物理學(xué)家尚未探索的一個(gè)重要問(wèn)題是在大爆炸開始時(shí)存在的“奇點(diǎn)”，或一個(gè)密度無(wú)窮大的點(diǎn)。從表面上看，這告訴我們，在某一時(shí)刻，宇宙被塞進(jìn)了一個(gè)體積無(wú)限小、密度無(wú)限大的點(diǎn)。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(lái)解決這個(gè)問(wèn)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(shí)刻。
最早的弦理論概念之一是“火宇宙”（ekpyrotic universe），這個(gè)詞來(lái)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(gè)更大過(guò)程的一部分。
“火宇宙”的概念擴(kuò)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(gè)想法奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。正如一般想象的那樣，這個(gè)“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(guò)去的永恒，也可能是進(jìn)入未來(lái)的永恒。
按照大反彈理論，每次循環(huán)都以一個(gè)平滑的小宇宙開始，但不可能像奇點(diǎn)那么小；之后，這個(gè)小宇宙逐漸擴(kuò)張，變得越來(lái)越大，越來(lái)越扭曲，達(dá)到一定程度后開始坍縮，同時(shí)變得越來(lái)越平滑，最終縮小到開始時(shí)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(lái)很酷，但早期的數(shù)學(xué)模型很難匹配觀測(cè)結(jié)果。當(dāng)我們真正嘗試做科學(xué)研究時(shí)，這是非常重要的一個(gè)問(wèn)題。
最主要的障礙在于如何與宇宙微波背景的觀測(cè)結(jié)果相吻合。宇宙微波背景是宇宙誕生38萬(wàn)年時(shí)遺留下來(lái)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(cè)到宇宙微波背景之前的一切，但如果想從理論上著手對(duì)早期宇宙的物理學(xué)進(jìn)行修補(bǔ)，就會(huì)影響到這些“余光”的模式。
因此，循環(huán)宇宙似乎是一個(gè)簡(jiǎn)潔但不正確的概念。但是，多年以來(lái)，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(kù)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(shí)刻，即當(dāng)宇宙收縮到一個(gè)極小的點(diǎn)并回到大爆炸狀態(tài)時(shí)，可以使理論預(yù)測(cè)與觀測(cè)檢驗(yàn)的結(jié)果達(dá)成一致。
換句話說(shuō)，盡管這個(gè)關(guān)鍵時(shí)期的物理學(xué)非常復(fù)雜（而且了解還很有限），但確實(shí)會(huì)讓我們對(duì)宇宙的時(shí)間和位置有一個(gè)根本性的修正。當(dāng)然，要完全檢驗(yàn)這個(gè)模型，我們還必須等待新一代的宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)。在那之前，“宇宙誕生之前是什么”還將是一個(gè)無(wú)解的問(wèn)題。