宇宙起源於大爆炸,那麼大爆炸之前是什麼呢?諾獎得主給出答案

2022年10月20日00:40:04 科學 1858

英國著名廣播劇作家道格拉斯·亞當斯在其科幻小說《銀河系漫遊指南》中,描寫了這樣一個橋段:老鼠建造了一部超級電腦,名字叫做深思。老鼠們問這台超級電腦:生命、宇宙和萬物的終極答案到底是什麼?

在經過了整整750萬年的連續計算之後,超級電腦深思給出的回答是:生命、宇宙和萬物的終極答案是:42。

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平平無奇的42,在自然數中都排不上號,為何卻能成為整個宇宙萬物的終極答案呢?所以,對於超級電腦深思給出的回答,幾乎所有讀者都感到匪夷所思。

與這個問題類似的還有一個命題,它同樣深奧無比,但給出答案的人卻是一個絕對的專業人士。

我們都知道,奇點是整個宇宙的起點,是宇宙大爆炸之前宇宙存在的一種形式。奇點這個概念非常著名但又極其難以解釋,目前,物理學中沒有任何一個分支能夠解釋它的行為。不僅愛因斯坦廣義相對論在如此微小的尺度上無法解釋,而且在無限密度下的粒子物理也超出了標準量子物理模型的理解範圍。

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那麼奇點到底是什麼呢?我們只知道,奇點具有一系列奇異的性質,比如無限大的物質密度、無限彎曲的時空和無限趨近於0的熵值等。

上世紀七十年代,英國理論物理學家斯蒂芬·威廉·霍金等人提出了「奇點定理」,他們證明,當把廣義相對論應用於宇宙學時,就必然會出現「奇點」。不僅大尺度宇宙會出現「奇點」,而且超大質量的恆星瀕死時的引力塌縮的最終結局也是「奇點」(此「奇點」實際上是黑洞,但它與奇點的特性相似)。

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根據「宇宙大爆炸理論」的觀點,在138億年前,一個體積無限小、密度無限大、溫度無限高、時空曲率無限大的奇點發生了大爆炸,由此產生了整個宇宙,產生了宇宙中的一切物質、時間和空間。

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「宇宙大爆炸理論」提出後,在之後的幾十年里逐漸佔據了物理學界的主流,發展到今天已廣為人們所知,幾乎成為了宇宙起源的唯一解釋。

不過,「宇宙大爆炸理論」有一個明顯的缺陷:它沒有解釋清楚在大爆炸之前到底是什麼、有什麼?

如果說因為大爆炸才產生了宇宙、時間和空間,那麼大爆炸之前難道僅僅只有奇點嗎?而奇點又是怎麼來的呢?

尤其是對於我們普通人來說,我們無法想像一個沒有物質、時間和空間的世界是什麼樣子的。愛因斯坦告訴人們,時間和空間是人們認識的錯覺,因為世間萬物一直在變化,所以我們才能感受到時間和空間。

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好吧,既然時間和空間是人們主觀想像出來的東西,那麼我們就姑且忽略掉它們。然而,愛因斯坦仍然沒有給出我們想要的答案,即宇宙大爆炸之前到底是什麼。

在愛因斯坦去世55年後,英國數學物理學家、牛津大學數學系名譽教授、2020年諾貝爾物理學獎獲得者羅傑·彭羅斯給出了一種解釋:宇宙大爆炸之前是上一個宇宙大爆炸。

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2010年,彭羅斯在他出版的新書《宇宙的輪迴:宇宙的非凡新觀點》中首次系統回答了這個問題,並提出了共形循環宇宙學的理論。

那麼,什麼是共形循環宇宙呢?這恐怕還要從「宇宙大爆炸理論」說起。

上世紀七十年代,彭羅斯和霍金一起證明了奇點定理,但是在大爆炸之前,也就是奇點的前面,又是什麼樣子呢?彭羅斯通過共形映射將宇宙的開始和終結聯繫起來,他認為,宇宙的終結實際上也是下一次宇宙大爆炸的開始。人類目前所處的宇宙,就是在大爆炸—膨脹—大爆炸—膨脹之中無限循環着。

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當宇宙從一個奇點爆炸開始之後,它就會進入極為漫長的膨脹期。當膨脹到極限之後,所有的粒子由於相互作用力減弱,使得基本粒子也慢慢分離,最終整個宇宙變成純能量的狀態,這時通過黑洞蒸發效應,移除宇宙中的熵。等到蒸發完畢之後,也就意味着熵的歸零。

與此同時,整個宇宙處於高度一致的狀態,也就是所有物質都位於同一個點上,也就是奇點。接下來,又是新一輪的宇宙大爆炸。

這種大爆炸—膨脹—大爆炸—膨脹的無限循環,就相當於純能量——能量和物質的混合態——純能量——能量和物質的混合態的無限循環,看上去非常簡潔優美。

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儘管彭羅斯的共形循環宇宙學完美回答了「大爆炸之前是什麼」這個極為深奧的命題,但是任何一種理論或學說都需要實踐或觀測的檢驗。

在提出這一理論後,彭羅斯經過漫長的觀測和研究,他發現,在宇宙微波背景中,至少已經發現了6個霍金點。這些大概直徑只有8個月亮直徑大小的、溫度略高於周圍環境的圓形斑點,就是上一個宇宙中超大質量黑洞蒸發後留下的斑痕,也是在本次宇宙大爆炸的早期膨脹中形成的。

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不過,對於霍金點的發現,有些科學家並不買賬,因為他們在對宇宙微波背景的觀測中並未發現有什麼特別的熱點,所謂的霍金點也許根本就不存在。

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