「宇宙大爆炸」之前有什麼?英國科學家有了一個答案

2021年10月13日00:20:02 科學 1983

也許宇宙是無始無終的,時間也沒有起點。

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哈勃眼中的宇宙。NASA / ESA

宇宙大爆炸理論認為,宇宙誕生自一個「奇點」,時空有它的起點。於是人們又常常會冒出這樣一個念頭:宇宙在「大爆炸」之前是什麼樣的?但是如果我們根據相對論是得不到答案的,因為「奇點」的出現,意味著相對論在這種情況下是失效的。

量子力學在描述微觀世界方面取得了很大成就。於是很多科學家想要把相對論和量子力學結合起來,發明一種所謂的量子引力論,用來解釋這個宇宙中用相對論無法解釋的兩個最大的謎:黑洞的內部和宇宙的起點。這樣的理論又被稱為「萬物理論」,衍生出很多版本,但是迄今為止,沒有一種具有實質上的可信力。

為了解決這一矛盾,英國利物浦大學的物理學家Bruno Bento在一種新奇的理論:「因果集合論(causal set theory)」的基礎上進一步發展,試圖通過重新定義時空的本質,來探討時間及宇宙的起源問題。

按照通常的理解,時空是連續的。在連續的時空中,時空中的兩個點是可以無限靠近的。但是「因果集合論」認為,時空並不是連續的,而是可以分為無數個極小的基本單位。我們可以稱這些時空的基本單位為「時空原子」。「時空原子」的存在導致時空中的兩個點不能無限靠近,「時空原子」的尺度是時空中兩個點靠近的極限。

這就好比我們觀察電腦屏幕,會發現屏幕上的圖像其實是由一個個像素點組成的。因此圖像中任意的兩個點之間的距離,永遠都不可能小於一個像素點的寬度。

Bruno Bento認為,「因果集合論」不僅僅可以探討時空的本質,還可以為人們研究時間所扮演的角色,以及時間的流逝究竟意味著什麼,過去意味著什麼,未來是否存在等問題提供一個新的思考方向。

「因果集合論」認為,時間的流逝是一種物理性的表現,而不是幻覺或人腦的想像。在「因果集合論」中,一個「因果集合」還可以放大某一時刻的「時空原子」,並使之變得越來越大。

因為「因果集合論」中的時空存在最小尺度,所以時空就不可能變得無限小,「奇點」也就不可能出現了。而「奇點」一旦不存在,宇宙的起點也就不存在了。

雖然在「因果集合論」的原始版本中,現代宇宙這個「因果集合」是從無到有產生的。但是在Bento的版本中,「大爆炸」並不是一個起點,而是擁有一個無限的過去。

宇宙一旦沒有起點,一直都存在著,那麼我們所知的「大爆炸」,就只是宇宙這個永恆存在的「因果集合」在其演化過程中的一個特殊時刻。「宇宙大爆炸」之前這個問題也變得有意義了。

目前還不知道這個理論是否能夠和當前用來描述大爆炸後宇宙演化的理論相容。但是研究人員相信,這樣一種框架至少在數學的層面上是可行的。

參考
If time had no beginning
https://arxiv.org/abs/2109.11953

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