大爆炸之前

陳壯叔

大爆炸之前的宇宙是什么模樣?若你問宇宙學(xué)家，他們通常會搪塞說，這個問題沒有意義。如著名物理學(xué)家霍金，便對此反問道：“北極之北是什么地方?”故按現(xiàn)代宇宙學(xué)的主流思想，大爆炸意味著宇宙的真正開始，空間和時間由此而出現(xiàn)，決不存在“之前”這樣的問題。

但這可能并非真實，就有一位物理學(xué)家敢于挑戰(zhàn)這個問題。若他說的正確，那么在大爆炸之前，宇宙已經(jīng)歷了一個不可想象的久長時期。歐洲核子研究所的G狽賭善媾說：“大爆炸遠不是時間的開始，它僅是宇宙歷史的一個轉(zhuǎn)折點。”

范氏早在20世紀(jì)90年代初，就開始對“大爆炸之前”進行探索。當(dāng)時，他跟同事蓋斯拍立寧對標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型中的一些缺點做了研究。例如，若你想象宇宙膨脹在時間上逆行(就如反向放電影)，那么它的密度和溫度將不斷增大，直至無限。這個無限密度的點，稱為奇點，是物理學(xué)上的一個大問題。范氏說，“奇點”告訴我們，現(xiàn)行理論(愛氏廣義相對論)不適用于宇宙的最初時刻。這是因為有一個所謂普朗克時期(大爆炸后10－43秒)，此時，引力跟自然界的其他基本力的強度大致相當(dāng)，因此，要想研究奇點的物理狀況，就必須用量子引力理論，而這種理論尚不存在。

但物理學(xué)家確已提出了應(yīng)用量子論于引力的構(gòu)想，其中最有希望的可能是弦論。按照此說，自然界的基本粒子，皆為在九維空間中振盈著的極小的“弦”。而在這九維中，除三維外，其他的維皆蜷縮到比原子還小。這種振盈的基本模式之一，表現(xiàn)為一種無質(zhì)量的粒子，頗似假想的攜帶引力的“引力子”。這也是范氏要用弦論來解決奇點問題的原因。他說：“我相信，早期宇宙學(xué)是運用和檢驗弦論的最好地方。”

范氏發(fā)現(xiàn)，弦論能在零時刻，把討厭的奇點除去，因為弦具有尺寸。若時間逆行，宇宙雖收縮，但它不致到達零體積，故奇點不會出現(xiàn)。在大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型中，奇點就像一圈磚墻，而在弦宇宙學(xué)中，則沒有這樣的墻，你可進入大爆炸之前的時代。

大爆炸之前具有時間，還解決了標(biāo)準(zhǔn)模型的另一問題。若你想象空間膨脹逆行(即收縮)到最早期(指10－43秒時刻)，按廣義相對論，現(xiàn)在可觀察到的宇宙中的全部物質(zhì)和能量，將壓縮到僅1毫米大小的容積之內(nèi)。光從t=0到t=10－43秒所跑過的路程，只有10－34米。這一點對早期宇宙十分重要?？臻g中一個區(qū)域能“通知”別個區(qū)域的惟一途徑，是所加的影響(或信息)需具有在區(qū)域間往返的時間，而任何影響的最大速度即為光速。由于早期時刻光僅跑了10－34米， 故在10－3米大小的原始宇宙中，擁有完全分隔的10 93個區(qū)域，并且它們之間不可能有因果關(guān)系上的聯(lián)系。

問題在于現(xiàn)在的宇宙是均勻的，這不僅在物質(zhì)密度上，而且在大爆炸留下的輻射溫度上也是如此?？墒沁@1093個區(qū)域不相連接，那么它們之間是如何取得均勻的呢?

在標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型中，這些區(qū)域沒有相互了解的足夠時間，故無法在從宇宙誕生至普朗克時代的極短時間內(nèi)，使它們的溫度、密度均等化。宇宙學(xué)家無可選擇，只能拼湊出一個超快膨脹相，使宇宙從一個單一的、信息上相聯(lián)系的區(qū)域，“暴脹”成整個可觀察宇宙。但暴脹卻無法解釋宇宙的均勻性，暴脹雖為放大量子起伏變成現(xiàn)在宇宙中的星系密集提供了機制，但此理論具有自身的問題。例如膨脹空間(即暴脹場)的機制，欲使運行，需極度小心地對待場的初始態(tài)，這顯然極不自然。

所有這些都意味著，在普朗克時代之前，具有很長的時間，足以使1093個區(qū)域中的密度、溫度均勻化，而不需拼湊一個暴脹。范氏說：“對宇宙的均勻性來說，前歷史(時期)是一條明顯的道路?！?/p>

前大爆炸時期究竟是怎樣的呢?這可從宇宙的對稱性中看到線索。標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)解(弗里得曼大爆炸模型)具有一個十分簡單的對稱性，它們在時間逆行的情況下不變。換言之，若取負的時間，你將獲得另一個解，這個時間逆行的宇宙將收縮到一個大擠壓之點，而大爆炸也始于一個密實之點。

弦論的宇宙學(xué)解也具有相同的對稱性。若使時間逆行，并同時置換宇宙的標(biāo)量因子(決定宇宙的尺寸)，你將獲得一個一般的膨脹宇宙，并且膨脹是加速的。換言之，這是一個暴脹宇宙。范氏說：“對每一個大爆炸解，它們都表明，空間從t=－∞暴脹至t=0，也即暴脹至大爆炸?！?/p>

所以弦論暗示出，宇宙從t=－∞直到t=0之前，處于加速膨脹期。而在t=0之后，它轉(zhuǎn)變?yōu)楦ダ锏寐蟊Ｐ偷母鼮榫徛臏p速膨脹。

現(xiàn)在讓我們用新眼光來看大爆炸，我們是處在從暴脹轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浀臅r期。范氏說：“在大爆炸開始時，宇宙具有最大的曲率、最大的膨脹率和最高的溫度。從大爆炸中涌現(xiàn)出來的，并非是一個(時空)開始，而是宇宙歷史的一個轉(zhuǎn)折點。”

對于范氏的看法，有的支持，有的反對。密歇根大學(xué)的物理學(xué)家凱恩說：“我想，很可能大爆炸實際上是宇宙最近的一個階段?！毕艺摰囊粋€大優(yōu)點是，前大爆炸時代具有一種自動的暴脹，有了足夠的暴脹時間，便可以均勻宇宙中的密度和溫度。但對前大爆炸時代空間演化的描述，僅是事情的一半，我們需知悉，宇宙從什么狀態(tài)開始演化?其初始條件是什么?它在t=－∞時是什么模樣?

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，宇宙始于一個非常特殊的態(tài)，其溫度、密度需是經(jīng)精密調(diào)整，以便在1093個區(qū)域內(nèi)能保持精確地一致。而物理學(xué)家總是要去尋找更一般的狀態(tài)。例如，大家知道，晶體中原子的排列較奇怪，但它是從十分無定形的、遠非奇怪的液態(tài)演化而來的。范氏說：“同樣的，宇宙也是從最簡單、最一般的形態(tài)演化而來?！?/p>

那么宇宙最簡單的狀態(tài)又是怎樣?按范氏之見，那是無限的、真空的、寒冷的和扁平的。所謂扁平，是說空間曲率很小。范氏和其同事們，把這種狀態(tài)稱為“過去漸近平凡性”。

并非每個人都同意范氏之說，普林斯頓大學(xué)的宇宙學(xué)家斯坦哈特說：“這等于假設(shè)，在第一地方就是均勻的。范氏并沒有解決任何初始條件問題，他只是‘平凡地把自己的初始條件加在它們身上?！?/p>

宇宙并非處在平凡之中，否則，我們今天就不會在這里。隨著時間的流逝，就會出現(xiàn)較大的起伏，從而造成具有大于平均能量密度的區(qū)域，就像今日之宇宙。這些量子起伏足以產(chǎn)生黑洞，也正是如此，我們看到了宇宙的真正誕生。據(jù)范氏所說，適用于黑洞內(nèi)部的弦論解，也同樣可以預(yù)言前大爆炸時代的那種加速膨脹。他說：“我們的宇宙是黑洞內(nèi)部的一塊?！?/p>

范氏和蓋斯拍立寧過去幾年來一直指出，在宇宙膨脹到接近t=0時，時空曲率日益增大，這導(dǎo)致了溫度和能量密度的急劇上升。在零時刻后的一瞬間，在一個毫米尺度的三維區(qū)域內(nèi)的巨大膨脹，看上去頗似標(biāo)準(zhǔn)暴脹理論中的超密、超熱那一幕。

當(dāng)然，任何理論要存活下去，必須提供今日可見的物質(zhì)粒子。據(jù)范氏說，諸如電子、正電子和光子，因空間幾何上的起伏，它們魔術(shù)般地從虛無中進入存在，這是量子機制的作用。就如在強電場中，能產(chǎn)生電子－正電子時，急變的引力場會導(dǎo)致全部粒子的量子產(chǎn)生。更有甚者，創(chuàng)生的粒子還帶有很大的動能，這使得宇宙逐漸變熱。范氏說：“這與標(biāo)準(zhǔn)模型不同，在該模型中，暴脹之后才產(chǎn)生粒子并熱起來?！?/p>

關(guān)于前大爆炸時代的情景，幾乎跟科幻一樣，所不同的是，它提出了幾個可供測試的預(yù)言，這些都跟標(biāo)準(zhǔn)暴脹論不同。若范氏正確，那么宇宙中應(yīng)充滿引力波的混沌海洋。這是從平凡的過去留下來的。這些引力波很微弱，使用現(xiàn)在的探測器，觀測到它們的可能性不大，但范氏認(rèn)為，第三代的探測器，應(yīng)能看到這些引力波背景。

前大爆炸的效應(yīng)，在宇宙微波背景中應(yīng)能看到。范氏推測說，在微波背景的波譜中，用其不同角度的峰值位置，跟標(biāo)準(zhǔn)理論做一比較，就可得知結(jié)果。美國發(fā)射的MAP衛(wèi)星(于2000年11月升空)和擬于2007年發(fā)射的歐洲普朗克探測器，都可進行這種測試。前大爆炸概念仍有問題。把宇宙的開始推以更早時期，許多人可能指責(zé)范氏過于簡單，因為他沒有做更多地解釋。范氏解釋說，這對他太苛刻了。他說：“在前大爆炸理論中，起始(t=0)仍具有意義，但更為平凡和自然，沒有像標(biāo)準(zhǔn)理論中那樣特殊。我相信，這對標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型是一個重大的改進?！?/p>

另一個問題是，在t=0時發(fā)生了什么?為什么會從前大爆炸時代的加速膨脹天衣無縫地進入到更為平和的膨脹?這兩者的銜接，正是弦論要解決的，但迄今尚不大清楚。

范氏雖至今未找到全部答案，但許多宇宙學(xué)家認(rèn)為，他已為人類做了大量工作。奧白蘭切說：“對此，許多人有一種懷疑傾向，而另一些人則樂于聽到：已有人打算把弦論與宇宙學(xué)結(jié)合起來?！?/p>

凱恩稱贊說：“范氏的想法真好，不過還不清楚他是否正確。但最重要的一點是，認(rèn)真研究關(guān)于前大爆炸物理的可測試模型，是目前的好物理學(xué)?！?/p>

還有一些人對范氏的態(tài)度沒有如此積極，斯坦哈特說：“每個人都會贊賞范氏的創(chuàng)造性和魅力。但我想，他走錯了路，或者，是一條靠不住的路，已多年了。”

這個風(fēng)險(走錯路)并沒有使范氏氣餒，他承認(rèn)，這是可能的。但他說：“我們已砸碎了一座墻(指奇點)?！蔽覀円?，大爆炸前究竟是什么模樣?這不再是禁忌了。