无尽的宇宙

如果神创造了世界，在创世之前他在哪儿呢？......知道世界是非创造的，时间也是这样，无始无终。

——《大往世书》

一个已被广为接受的观点认为，我们所依存的宇宙形成于一个称作大爆炸的炽热而致密的火球。到了上个世纪末期，理论与最新的观测结果表明，宇宙大爆炸距今138亿年，而且这个膨胀的宇宙中散布着数以亿计的星系、恒星和行星。宇宙学家如今面对的问题是，大爆炸之前发生了什么？为了回答这个问题，理论家提出了宇宙“大反弹”的模型。

其基本的想法是：我们的宇宙可能经历过反复的膨胀和收缩。目前我们正生活在一个膨胀的宇宙，但是在未来的某些时刻，宇宙便会开始收缩。最终，宇宙会再次收缩成一个致密的火球，并会触发一次新的大爆炸。如此反复，这就解决了“它之前发生了什么”这一问题。但是，大反弹模型本身也有问题。首先，基于我们现在对暗能量的理解，宇宙或许会持续并永远的膨胀下去。另一方面，如果宇宙确实会坍缩成一个新的致密状态，对于它如何触发一次新的大爆炸我们毫无头绪。

而最新发表在《物理评论快报》上的一篇论文为第二个问题提供了一个可行性的解决方法。其主要的思路是引进量子理论。在一个纯经典的模型中，一个收缩的宇宙最终会重新坍缩成一个奇点。为了阻止奇点的产生，我们需要“共形对称性”和量子力学同时来拯救我们的宇宙。

对于宇宙早期的观测表明，宇宙在任何尺度上或许看起来都是一样的。也就是说适用于整个宇宙构造的物理定理，也同时也适用于很小的尺度上——比单个原子还小。这个现象就是所谓的共形对称性。但今天的宇宙，情况可不是这样的。比原子还小的粒子的行为跟较大物质的行为完全不一样，我们说对称破缺了。亚原子粒子的行为由量子力学支配。如果没有量子力学，原子就不会存在。围绕原子核运动的电子就会失去能量并掉落原子核，从而导致整个原子结构的崩塌。但是，量子力学防止了这样的事情发生。

在早期的宇宙，由于所有的东西都非常的小，它或许仅由量子力学支配。在新的研究中，研究人员认为量子效应会阻止宇宙坍缩并在收缩的最后阶段自我毁灭，也就是所谓的“大坍缩”。取而代之的是，宇宙会从一个收缩的状态转变到一个膨胀的状态。

Steffen Gielen（左边）和Neil Turok（右边）

利用早期宇宙存在着共形对称性，并由量子力学支配的想法，史蒂芬·吉伦(Steffen Gielen)和尼尔·图洛克(Neil Turok) 构建了一个新的数学模型描述了宇宙是如何演化的。模型还包括几个简单的成分，比如早期宇宙充满了辐射以及几乎没有普通物质存在。有了这些，那么其中一个“宇宙”就会在致密的时期结束，并重新膨胀诞生另一个新的“宇宙”。而不是先前认为的，我们的宇宙是从一个物理学定律全部失效的“点”上经由大爆炸而诞生的。

关于循环宇宙或大反弹的宇宙模型科学家很早就提出了，并且有不同的论据。有兴趣的读者可以进一步参阅Roger Penrose所著的《宇宙的轮回》，Paul Steinhardt和Neil Turok合著的《无尽的宇宙：超越大爆炸》，以及他们的相关论文。

参考文献：

【1】Steffen Gielen et al. Perfect Quantum Cosmological Bounce. Phys. Rev. Lett. 117, 021301 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.021301

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