宇宙诞生的瞬间究竟发生了什么？.docx

宇宙诞生的瞬间究竟发生了什么？ 2022年3月17日，新华社发出一条醒目的报道，称美国航空航天局设在南极的BICEP2望远镜找到了理论所预言的、宇宙大爆炸在宇宙微波背景上留下的痕迹。 按现今流行的宇宙大爆炸理论，在宇宙刚诞生的10-35秒发生了暴胀，到10-32秒时，宇宙空间瞬间扩大了1025倍。理论家说，在暴胀结束时必将产生引力波，这是一种空间的水纹，也是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言。光子遇到引力波时将产生偏振，而BICEP2望远镜探测到的，正是这一偏振的图谱。 很多读者都为科技如此神速的进步而惊异。宇宙诞生的瞬间都能被科学家找到，那么更进一步，我们是否可以探知宇宙从奇点中突然出现的那一幕呢？其实，早在10多年前，科学家就已经起先探究这一神奇的时刻了。 宇宙原委是如何从一个极密实、极高温的奇点中爆发而出的呢？科学家把时间始终回溯到普朗克时期，即宇宙诞生后10-43秒的那个瞬间。此时，其物质密度约为5×1096千克/ 立方米，且存在着所谓的间或相互连接区，线度约为10-35米。因为普朗克时期在时间、空间和密度上都处在极限状态，所以CC1具有最大的普朗克密度，其质量约为10-8千克，即普朗克质量。 尽管在普朗克时期多方面均处在极限，但物质的状态发生改变是不行避开的，原始粒子对湮灭，就此产生了大爆炸，物质和能量井喷而出。但是科学家还是无法推想这之前的状况，也无法知道空间和时间的本质特征。他们缺少一把钥匙，那就是量子引力理论。 按目前建立在相对论基础上的大爆炸理论，时空是一个平滑的、连续的整体。爱因斯坦的理论对恒星、星系尺度上的引力做了很好的描述，但对宇宙初始时的状况，就很难说明得清了。 当我们把宇宙的时钟向回拨，将看到物质日益挤紧，引力变得越来越大。依据相对论，宇宙产生自一个无限密实的奇点，其空间和时间极限弯曲，以至于传统的物理学在这里完全失效。而物质处于如此微小的空间时，正是量子论的用武之地。因此，欲搞清万物之起先，必需把这两个理论结合起来，产生一个量子引力理论。 现在我们来看一下量子引力理论如何看待宇宙的初生。近年来，在这方面出现了几种理论，其中引人注目的，至少有三个完全独立的量子引力理论。它们都认为，宇宙进入存在时是很宁静的，这是一个完全孤立的瞬间，没有任何东西、任何地方是相互连接的。这意味着，没有东西能在它们之间通过。这一宁静时刻将告知我们宇宙原初的奇妙。 2022年，加州高校的卡立泊收集了全部的量子引力理论版本，发觉了它们的一个共同点：当宇宙回到高温、密实的原初时刻时，其空间维度是一维或二维。换言之，其几何形态跟现在完全不一样。 宁静时刻表明，那时的空间和时间是分开的，很可能源于原始的量子起伏。根据卡立泊的计算，在宇宙的第一个10-43秒时，空间被分割成互不相连的块。在一个被称为因果动力学三角的 理论中也出现了类似的情景，它所给出的时间和空间的曲率，正是相对论所说的物质和能量引起的曲率。荷兰奈梅亨高校的鲁尔说：“我们希望，我们的模拟能给出宇宙在接近奇点时是如何运行的。” 根据因果动力学三角理论，宇宙将以某一种相出现。一种类似于我们这一种，即不同的区域相互连接，并通过信号或力的传递而相互作用。另一种宇宙是匀称的一块，全部的东西都是彼此的组成部分。第三种类型的空间完全断开，宇宙中的每一块空间都是孤立的。换言之，这是一个宁静的宇宙。 这些理论是否可信现在还无法推断。不过，宇宙可能处在这些相中的思想，预示着量子引力含有新的学问。瑞典斯德哥尔摩理论物理探讨所的赫塞费特说：“早期宇宙是我们进入量子引力最牢靠的大门，探讨这些相在早期宇宙中的转变，将使我们了解新生的早期宇宙，进而知悉空间和时间的本质特性。” 圈量子引力理论认为，空间和时间都是由维和结组成的织物，这种互绕的条纹导致了粒子和力的产生。验证该理论的一个方法，就是通过量子引力宇宙可看到圈量子引力宇宙独有的历史。从中可以看出，在宇宙起先时的高能、高密条件下，维和结是如何运行的。 巴劳等人将量子引力宇宙的膨胀往回收缩时，看到光速也慢了下来；当他们把万物压缩到极热、极密态时，量子引力宇宙最终到达一点，光速也变为零。假如光无法运动，就无法通信了，没有力能够传递出去，每一个区域的时空之间都是断开的。这是另一种宁静时刻。我们看到，虽然有三种不同的理论，但它们都聚焦于宁静，说明宁静有助于我们了解原初宇宙结构间的关系。 在目前的标准大爆炸模型中有一个暴胀期，在量子引力宇宙模型中，它的发生是一种被称为“反弹”的自然结果，而这一时刻先于宇宙进入存在。这好像很难想象，量子引力宇宙模型并不认为我们宇宙的诞生是万物之始。2022年，路易斯安那州立高校的辛格等人说，假如把圈量子宇宙的时钟往回拨，你最终将遇到一个时刻，那里的维和结都处在能量超载的状态，能够产生一个斥力，迫使空间翻出并再次起先膨胀。而这一膨胀过程，就是人们所说的大爆炸。假如宇宙含有任何形式的“标量场”，对空间的每一点施加力，可以导致一个自然的暴胀。在全部的宇宙学理论中加入“标量场”，可作为各种力的种子。 这个模型会进一步告知我们暴胀将持续多久。量子引力宇宙预言，暴胀期的宇宙，体积是我们现在可观测范围的2倍，甚至有科学家认为可能达到10万或101亿倍。量子引力宇宙模型有其 独特性，其方程允许时间并入空间，也就是说，这个模型中只有四维的空间，而没有时间。对大多数人来说这仅是一个概念，但对巴劳等人来说，这是一个探讨方向，是受到确定的信号。 不过，辛格等人对此并不看好。他们认为，宁静时刻仅是人们的一个猜想，那是“非常初始和揣测性的”，并认为“这个结论是非常不成熟的，多半是不真实的”。 量子引力学界的科学家说，在我们对真实宇宙做出准确的测试之前，还有一段相当长的路要走。最好的测试是观测宇宙微波背景中微妙的图像，而来自欧空局的普朗克卫星刻画出了全天最具体的微波图。即使如此，该卫星还不够灵敏，很难重现宇宙创生的量子引力宇宙模型。巴劳说：“我们正在等待后普朗克的测量。” 卡立泊认为，BICEP2望远镜绘出的最新的宇宙微波背景辐射图可能探测到有宁静时刻的区域，或者空间维正在消逝。他说：“这是可信的，存在某种可观测的信号。” 不同量子引力模型之间的协作供应了很好的线索，以开拓这个领域。辛格指出，在模拟时空从量子态转变到经典态的时刻，量子引力宇宙和因果动力学三角理论产生了共鸣，给出了一个完全经典的时空。辛格说：“这可能向我们显示，这个结果反映了关于时空量子特征的一个更深层次的真理。”赫塞费特非常重视这个共性，她说：“每种方法都有其优缺点，但是，都能从不同的道路把我们引向类似的结论。这是很值得留意的，看起来像是一个焦点，试图告知我们某些事物。” 现在，量子引力理论已经进入了它的成熟阶段，我们将越来越多地看到早期宇宙之谜的说明。这不仅有益于宇宙学的进展，而且对人类思维领域的拓宽，也大有裨益。 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页