天文科普:宇宙大爆炸前是什麽?
發布時間:2020-10-12
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宇宙之前是什麽(me) ?對這個(ge) 問題的普遍回答是,宇宙大爆炸創生了時間和空間,既然時間都是在宇宙大爆炸後才誕生的,我們(men) 當然無從(cong) 知道宇宙大爆炸之前是什麽(me) 。

雖然這是一個(ge) 因果律上無懈可擊的回答,但我相信沒有一個(ge) 人滿意這個(ge) 答案,就像亞(ya) 當斯筆下泛維度種族不滿意宇宙第二強大的電腦深思花了750萬(wan) 年才計算出來,關(guan) 於(yu) 宇宙、生命及一切的答案是“42”一樣。

共形循環宇宙現在好了,隨著羅傑·彭羅斯獲得2020年諾貝爾物理學獎,他的共形循環宇宙學又一次重見天日。按照這個(ge) 學說,人們(men) 終於(yu) 可以回答宇宙之前是什麽(me) 了,彭羅斯這位89歲的遲暮老人也再次向人們(men) 推薦這個(ge) 理論,並言之鑿鑿地預言,宇宙微波背景上發現的6個(ge) 霍金點,就是這個(ge) 學說最好的證明。

宇宙必然起源於(yu) 一個(ge) 奇點,是彭羅斯和霍金在上世紀60年代一起證明的,這被稱為(wei) 奇點定理。之後宇宙大爆炸及暴脹理論逐漸占據科學界的主流,發展到今天已廣為(wei) 人們(men) 所知,幾乎成為(wei) 宇宙起源唯一的解釋了。但大爆炸之前宇宙究竟是什麽(me) ,卻像那個(ge) 答案“42”一樣,讓所有人都極其不爽,難道我們(men) 真的就沒有權利去追究宇宙背著我們(men) 都幹了些什麽(me) 嗎?

彭羅斯不服氣,他利用共形映射將宇宙的開始和結局聯係起來,認為(wei) 宇宙的終結就是另一次大爆炸的開始,我們(men) 的宇宙就在這種大爆炸-膨脹-大爆炸-膨脹中無限循環,從(cong) 而回答了宇宙大爆炸之前是什麽(me) 的問題:大爆炸之前,是另一個(ge) 宇宙。

什麽(me) 是共形循環宇宙我理解的彭羅斯的想法大概是這樣的,宇宙不斷膨脹,最終將導致宇宙中所有物質都變成稀釋的能量,宇宙中隻剩下無處不在的黑洞。當宇宙微波背景溫度降到無限趨近於(yu) 絕對零度時,這些黑洞的溫度將在某一時刻高於(yu) 宇宙微波背景溫度,從(cong) 而開始向宇宙微波背景釋放霍金輻射,黑洞變得越來越小,最後黑洞蒸發完畢,宇宙中隻剩下純粹的能量。

在這個(ge) 過程中,大爆炸時宇宙處於(yu) 低熵狀態,隨著宇宙膨脹演化,宇宙的熵越來越大,到物質全部轉化成能量後,宇宙就達到了最高熵;黑洞蒸發開始從(cong) 宇宙中移除熵,蒸發完畢後熵就被清零,這時候就開始了新一輪的宇宙大爆炸。

彭羅斯利用共形變換,一方麵將體(ti) 積無限小,密度溫度無限高的宇宙初始奇點狀態,變換成密度溫度體(ti) 積都有限的時空,另一方麵又將未來膨脹到無限大的宇宙時空,變換成尺度有限的時空,從(cong) 而讓兩(liang) 個(ge) 宇宙的終點和起點可以平滑地連接起來,從(cong) 而形成一串首尾相接的“宇宙串”,回答了我們(men) 因為(wei) 時間中斷而無法回答的宇宙之前是什麽(me) 的問題。

這一連串的宇宙大爆炸,就相當於(yu) 純能量(宇宙起點,上一個(ge) 宇宙的終點)——能量和物質的混合態(宇宙膨脹狀態,低熵-高熵-低熵)——純能量(宇宙終點,下一個(ge) 宇宙的起點)的循環,非常簡潔,我感覺還是挺優(you) 美的。

我很想找一個(ge) 什麽(me) 現象來形容這個(ge) 無限大到無限小的變換,不過摳破腦皮也想不出來,或許隻能用一個(ge) 哲學點的概念來說了,極大就是極小,或者否極泰來什麽(me) 的。

如何檢驗共形循環宇宙然而,不論理論多美妙,終究是需要實踐來檢驗的,共形循環宇宙學理論的硬傷(shang) 就是無法檢驗。彭羅斯在經過多年研究後,從(cong) 宇宙微波背景中發現了至少6個(ge) 霍金點,認為(wei) 這些約有8個(ge) 月亮直徑大小,略高於(yu) 周圍溫度的圓形斑點,就是上一個(ge) 宇宙中的超大質量黑洞蒸發後留下的斑痕,是在宇宙的早期膨脹中形成的。

不過很多科學家認為(wei) ,很難將一個(ge) 永恒的無限大的宇宙整合到下一個(ge) 永恒的超級小宇宙中,而且該理論要求宇宙中所有粒子質量都要消失,變成純粹的能量,實在太難以想象了。這在科幻小說中已經表現出來了,要是誰從(cong) 上一個(ge) 宇宙中偷偷偷走了一些物質,下一個(ge) 宇宙豈不是就沒有抓拿了?

另有科學家指出,科學家們(men) 多年來一直在仔細檢查宇宙微波背景,目前並未發現有什麽(me) 特別的熱點,所謂的霍金點並不存在。看來彭羅斯雖然獲得了諾貝爾物理學獎,但共形循環宇宙論要讓更多人信服,還有很長的路要走。即使這個(ge) 問題解決(jue) 了,我們(men) 還可以問下一個(ge) 問題,這個(ge) 共形循環宇宙當初又是怎麽(me) 來的呢?

近年來霍金輻射已經成為(wei) 黑洞理論中的關(guan) 鍵,越來越和宇宙的未來聯係在一起,如果彭羅斯理論成立的話,霍金輻射就是關(guan) 鍵中的關(guan) 鍵了,霍金未能在有生之年獲得諾貝爾獎,不能不說是一個(ge) 巨大的遺憾。

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