宇宙溯源

宇宙大爆炸之前究竟发生了什么?

时间:2019-4-23 8:05:36  作者:佚名  来源:新浪科技  查看:59  评论:0

宇宙大爆炸之前究竟发生了什么?


    新浪科技讯 北京时间4月23日消息,据国外媒体报道,宇宙大爆炸一般被视作万物的开端:约138亿年前,可观测宇宙发生了一场剧烈爆炸,一切也随之从无到有。

  但在大爆炸之前,情况又是怎样的呢?

  简单的回答:不知道。长一点的回答:大爆炸之前可能有很多很多东西,每一种都极其复杂、令人头疼。

  开始

  我们首先要理解宇宙大爆炸究竟为何物。

  “宇宙大爆炸是时间的一个瞬间,而不是空间中的一个点。”加利福尼亚理工学院理论物理学家肖恩·卡罗(Sean Carroll)指出。

  你想象中的宇宙大爆炸也许是这样一副情景:一个极小、极致密的点忽然爆炸,不断向虚无中扩张。现在你可以把这种想象从脑海中抹去了。卡罗指出,首先,大爆炸发生时的宇宙不一定很小。不错,如今可观测宇宙(一个直径约930亿光年的球状空间,包含至少2万亿个星系)中的一切都曾挤在一个直径不到1厘米的狭小空间中。但在可观测宇宙之外,也许还有许许多多地球人无法观测到的事物,因为光在138亿年间走不了那么远。

  因此卡罗表示,大爆炸时的宇宙可能极其微小,也可能无限庞大。因为我们无法看到超出观测范围外的事物过去的样子。我们只知道当时的宇宙非常、非常致密,并且扩张的速度非常快,密度也随之迅速减小。

  真正说起来,宇宙之外应该空无一物才对,因为宇宙的定义就是包罗万物。所以在大爆炸发生时,一切事物都比如今更致密、更炽热,但“在此之外”存在的事物并不比近日更多。你可能会想开上帝视角,想象自己站在一片虚空之中,看着大爆炸发生前、杂糅成一团的“婴儿宇宙”。但卡罗指出,这是不可能的,并非是宇宙向空间中膨胀,膨胀的就是空间本身。

  “无论你如今在宇宙中置身何处,如果你追溯到140亿年前的自己,都会回到同样一个极度炽热、致密和迅速扩张的状态。”卡罗表示。

  没人知道宇宙中究竟发生了什么事情,直到大爆炸发生1秒之后,宇宙足够冷却,让质子和中子得以相撞并结合。确实有很多科学家认为,宇宙在这一秒钟之内经历了一个以指数级扩张的“膨胀”过程。这一过程可以抚平时空纹理,也可以解释当今宇宙中的物质为何分布得如此均匀。

  大爆炸之前

  在大爆炸之前,宇宙也许是一条由极度炽热、致密的物质构成的无限延伸线。出于某些原因,这些物质能够一直保持稳定状态,直到宇宙大爆炸的发生。卡罗指出,这个极度致密的宇宙也许曾由极小尺度上的物理法则——量子力学主宰。而随后发生的宇宙大爆炸则代表了经典物理学取而代之、成为宇宙演化的主要推手的一瞬间。

  霍金认为,这一瞬间才是关键所在。他指出,在大爆炸之前的一切事件都无法测量,因此也无从定义。霍金把这叫做“宇宙无边界理论”:他认为时间和空间都是有限的,但既无边界,又无起始点和终结点。就像地球有限、但无边一样。

  “既然大爆炸之前的事件都没有造成可观测到的结果,我们不妨直接把它们从理论里砍掉,宣称时间就是从宇宙大爆炸开始的。”霍金在2018年的一次采访中表示。

  还有一种可能:在宇宙大爆炸之前,也许还有其它值得我们探索的事物。有一种理论认为,宇宙大爆炸并非时间的起点,而是对称的中心点。从这种理论来看,在大爆炸之前,还存在一个和当今宇宙一模一样的宇宙,只不过熵的变化规律不是逐渐增加,而是逐渐减少。

  卡罗指出,从本质上来说,熵增(即系统无序性增加)方向就是时间箭头的方向。因此在这个镜像宇宙中,时间的流逝也和现代宇宙相反。对那个宇宙而言,我们的宇宙才是过去。该理论的支持者还提出,其它宇宙特性在这个镜像宇宙中也是刚好相反的。例如,物理学家戴维·斯隆(David Sloan)曾指出,另一个宇宙中的分子和离子的不对称性(即手性)和我们的宇宙相反。

  有一种相关理论认为,宇宙大爆炸并不是一切的开端,而是宇宙从收缩期向膨胀期切换的一瞬间。该“大反弹”理论认为,随着宇宙不断扩张、收缩、再扩张,还会发生无数次大爆炸。但卡罗指出,这些理论的问题在于,它们并未解释宇宙为何、或如何从扩张态转为收缩态、从高熵态转为低熵态。

  卡罗和同事珍妮弗·陈(Jennifer Chen,音译)对宇宙大爆炸也提出了自己的设想。2004年,两位科学家提出,我们所知的宇宙也许是一个母宇宙的“后代”,是从母宇宙中剥落的一小块时空。

  卡罗称这就像放射性原子核的衰变过程:原子核衰变时会释放出一个α或β粒子,而母宇宙也会如此,只不过释放的不是粒子,而是子宇宙,且数量也许多达无穷。“也许是某次量子波动造成了这样的结果”。卡罗表示。这些子宇宙“是真正意义上的平行宇宙”,并且不会与彼此发生相互作用、或者对彼此造成影响。

  你可能觉得这些理论听起来十分魔幻,事实也的确如此,因为科学家连宇宙大爆炸的一瞬间都看不到,更别提大爆炸之前的情况了。不过卡罗指出,探索的机会还是有的。2015年探测到的、由星系剧烈相撞产生的引力波就提供了这样一种可能性,我们也许可以用引力波揭开宇宙大爆炸后关键一秒内、关于宇宙扩张的种种未解之谜。

  卡罗表示,理论物理学家也有大量工作要做,比如对量子引力等量子力做出更精准的预测。

  “除非我们有理论可参考,否则我们连自己在找些什么都不知道。”卡罗指出。(叶子)

 


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