宇宙誕生的瞬間究竟發(fā)生了什么？

陳壯叔

2014年3月17日，新華社發(fā)出一條醒目的報(bào)道，稱(chēng)美國(guó)航空航天局設(shè)在南極的BICEP2望遠(yuǎn)鏡找到了理論所預(yù)言的、宇宙大爆炸在宇宙微波背景上留下的痕跡（指引力波）。

按現(xiàn)今流行的宇宙大爆炸理論，在宇宙剛出生的10-35秒發(fā)生了暴脹，到10-32秒時(shí)，宇宙空間瞬間擴(kuò)大了1025倍。理論家說(shuō)，在暴脹結(jié)束時(shí)必將產(chǎn)生引力波，這是一種空間的波紋，也是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言。光子碰到引力波時(shí)將產(chǎn)生偏振，而B(niǎo)ICEP2望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的，正是這一偏振的圖譜。

許多讀者都為科技如此神速的進(jìn)步而驚訝。宇宙誕生的瞬間都能被科學(xué)家找到，那么更進(jìn)一步，我們是否可以探知宇宙從奇點(diǎn)中突然出現(xiàn)的那一幕呢？其實(shí)，早在10多年前，科學(xué)家就已經(jīng)開(kāi)始探索這一神秘的時(shí)刻了。

宇宙究竟是如何從一個(gè)極密實(shí)、極高溫的奇點(diǎn)中爆發(fā)而出的呢？科學(xué)家把時(shí)間一直回溯到普朗克時(shí)期，即宇宙誕生后10-43秒（普朗克時(shí)間，在量子論中，這就是時(shí)間的最小單元，不能

再做分割）的那個(gè)瞬間。此時(shí)，其物質(zhì)密度約為5×1096千克/ 立方米，且存在著所謂的偶爾相互連接區(qū)（CC1），線(xiàn)度約為10-35米。因?yàn)槠绽士藭r(shí)期在時(shí)間、空間和密度上都處在極限狀態(tài)，所以CC1具有最大的普朗克密度，其質(zhì)量約為10-8千克，即普朗克質(zhì)量。

盡管在普朗克時(shí)期多方面均處在極限，但物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生變化是不可避免的，原始粒子對(duì)湮滅，就此產(chǎn)生了大爆炸，物質(zhì)和能量井噴而出。但是科學(xué)家還是無(wú)法推測(cè)這之前的情況，也無(wú)法知道空間和時(shí)間的本質(zhì)特征。他們?nèi)鄙僖话谚€匙，那就是量子引力理論。

按目前建立在相對(duì)論基礎(chǔ)上的大爆炸理論，時(shí)空是一個(gè)平滑的、連續(xù)的整體。愛(ài)因斯坦的理論對(duì)恒星、星系尺度上的引力做了很好的描述，但對(duì)宇宙初始時(shí)的情況，就很難解釋得清了。

當(dāng)我們把宇宙的時(shí)鐘向回?fù)?，將看到物質(zhì)日益擠緊，引力變得越來(lái)越大。根據(jù)相對(duì)論，宇宙產(chǎn)生自一個(gè)無(wú)限密實(shí)的奇點(diǎn)，其空間和時(shí)間極限彎曲，以至于傳統(tǒng)的物理學(xué)在這里完全失效。而物質(zhì)處于如此微小的空間時(shí)，正是量子論的用武之地。因此，欲搞清萬(wàn)物之開(kāi)始，必須把這兩個(gè)理論結(jié)合起來(lái)，產(chǎn)生一個(gè)量子引力理論。

現(xiàn)在我們來(lái)看一下量子引力理論如何看待宇宙的初生。近年來(lái)，在這方面出現(xiàn)了幾種理論，其中引人注目的，至少有三個(gè)完全獨(dú)立的量子引力理論。它們都認(rèn)為，宇宙進(jìn)入存在時(shí)是很寂靜的，這是一個(gè)完全孤立的瞬間，沒(méi)有任何東西、任何地方是相互連接的。這意味著，沒(méi)有東西（諸如聲音、光或其他信息）能在它們之間通過(guò)。這一寂靜時(shí)刻將告訴我們宇宙原初的奧秘。

2012年，加州大學(xué)的卡立泊收集了所有的量子引力理論版本，發(fā)現(xiàn)了它們的一個(gè)共同點(diǎn)：當(dāng)宇宙回到高溫、密實(shí)的原初時(shí)刻時(shí)，其空間維度是一維或二維。換言之，其幾何形態(tài)跟現(xiàn)在完全不一樣。

寂靜時(shí)刻表明，那時(shí)的空間和時(shí)間是分開(kāi)的，很可能源于原始的量子起伏。按照卡立泊的計(jì)算，在宇宙的第一個(gè)10-43秒時(shí)，空間被分割成互不相連的塊。在一個(gè)被稱(chēng)為因果動(dòng)力學(xué)三角的

理論中也出現(xiàn)了類(lèi)似的情景，它所給出的時(shí)間和空間的曲率，正是相對(duì)論所說(shuō)的物質(zhì)和能量引起的曲率。荷蘭奈梅亨大學(xué)的魯爾說(shuō)：“我們希望，我們的模擬能給出宇宙在接近奇點(diǎn)時(shí)是如何運(yùn)行的?！?/p>

按照因果動(dòng)力學(xué)三角理論，宇宙將以某一種相（共有三種）出現(xiàn)。一種類(lèi)似于我們這一種，即不同的區(qū)域相互連接，并通過(guò)信號(hào)或力的傳遞而相互作用。另一種宇宙是均勻的一塊，所有的東西都是彼此的組成部分。第三種類(lèi)型的空間完全斷開(kāi)，宇宙中的每一塊空間都是孤立的。換言之，這是一個(gè)寂靜的宇宙。

這些理論是否可信現(xiàn)在還無(wú)法判斷。不過(guò)，宇宙可能處在這些相中的思想，預(yù)示著量子引力含有新的知識(shí)。瑞典斯德哥爾摩理論物理研究所的赫塞費(fèi)特說(shuō)：“早期宇宙是我們進(jìn)入量子引力最可靠的大門(mén)，研究這些相在早期宇宙中的轉(zhuǎn)變，將使我們了解新生的早期宇宙，進(jìn)而知悉空間和時(shí)間的本質(zhì)特性?！?/p>

圈量子引力理論認(rèn)為，空間和時(shí)間都是由維和結(jié)組成的織物，這種互繞的條紋導(dǎo)致了粒子和力的產(chǎn)生。驗(yàn)證該理論的一個(gè)方法，就是通過(guò)量子引力宇宙可看到圈量子引力宇宙獨(dú)有的歷史。從中可以看出，在宇宙開(kāi)始時(shí)的高能、高密條件下，維和結(jié)是如何運(yùn)行的。

巴勞等人將量子引力宇宙的膨脹往回收縮時(shí)，看到光速也慢了下來(lái)；當(dāng)他們把萬(wàn)物壓縮到極熱、極密態(tài)時(shí)，量子引力宇宙最終到達(dá)一點(diǎn)，光速也變?yōu)榱?。如果光無(wú)法運(yùn)動(dòng)，就無(wú)法通信了，沒(méi)有力能夠傳遞出去，每一個(gè)區(qū)域的時(shí)空之間都是斷開(kāi)的。這是另一種寂靜時(shí)刻。我們看到，雖然有三種不同的理論，但它們都聚焦于寂靜，說(shuō)明寂靜有助于我們了解原初宇宙結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。

在目前的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型中有一個(gè)暴脹期，在量子引力宇宙模型中，它的發(fā)生是一種被稱(chēng)為“反彈”的自然結(jié)果，而這一時(shí)刻先于宇宙進(jìn)入存在。這似乎很難想象，量子引力宇宙模型并不認(rèn)為我們宇宙的誕生是萬(wàn)物之始。2006年，路易斯安那州立大學(xué)的辛格等人說(shuō)，如果把圈量子宇宙的時(shí)鐘往回?fù)?，你最終將碰到一個(gè)時(shí)刻，那里的維和結(jié)都處在能量超載的狀態(tài)，能夠產(chǎn)生一個(gè)斥力，迫使空間翻出并再次開(kāi)始膨脹。而這一膨脹過(guò)程，就是人們所說(shuō)的大爆炸。如果宇宙含有任何形式的“標(biāo)量場(chǎng)”（這是一種霧狀的東西），對(duì)空間的每一點(diǎn)施加力，可以導(dǎo)致一個(gè)自然的暴脹。在所有的宇宙學(xué)理論中加入“標(biāo)量場(chǎng)”，可作為各種力（電磁、強(qiáng)、弱和引力）的種子。

這個(gè)模型會(huì)進(jìn)一步告訴我們暴脹將延續(xù)多久。量子引力宇宙預(yù)言，暴脹期的宇宙，體積是我們現(xiàn)在可觀測(cè)范圍的2倍，甚至有科學(xué)家認(rèn)為可能達(dá)到10萬(wàn)或100億倍。量子引力宇宙模型有其

獨(dú)特性，其方程允許時(shí)間并入空間，也就是說(shuō)，這個(gè)模型中只有四維的空間，而沒(méi)有時(shí)間。對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)這僅是一個(gè)概念，但對(duì)巴勞等人來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)研究方向，是受到肯定的信號(hào)。

不過(guò)，辛格等人對(duì)此并不看好。他們認(rèn)為，寂靜時(shí)刻僅是人們的一個(gè)猜想，那是“十分初始和猜測(cè)性的”，并認(rèn)為“這個(gè)結(jié)論是十分不成熟的，多半是不真實(shí)的”。

量子引力學(xué)界的科學(xué)家說(shuō)，在我們對(duì)真實(shí)宇宙做出確切的測(cè)試之前，還有一段相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。最好的測(cè)試是觀測(cè)宇宙微波背景中微妙的圖像，而來(lái)自歐空局的普朗克衛(wèi)星刻畫(huà)出了全天最詳細(xì)的微波圖。即使如此，該衛(wèi)星還不夠靈敏，很難重現(xiàn)宇宙創(chuàng)生的量子引力宇宙模型。巴勞說(shuō)：“我們正在等待后普朗克的測(cè)量?！?/p>

卡立泊認(rèn)為，BICEP2望遠(yuǎn)鏡繪出的最新的宇宙微波背景輻射圖可能探測(cè)到有寂靜時(shí)刻的區(qū)域，或者空間維正在消失。他說(shuō)：“這是可信的，存在某種可觀測(cè)的信號(hào)?！?/p>

不同量子引力模型之間的協(xié)作提供了很好的線(xiàn)索，以開(kāi)拓這個(gè)領(lǐng)域。辛格指出，在模擬時(shí)空從量子態(tài)轉(zhuǎn)變到經(jīng)典態(tài)的時(shí)刻，量子引力宇宙和因果動(dòng)力學(xué)三角理論產(chǎn)生了共鳴，給出了一個(gè)完全經(jīng)典的時(shí)空。辛格說(shuō)：“這可能向我們顯示，這個(gè)結(jié)果反映了關(guān)于時(shí)空量子特征的一個(gè)更深層次的真理?！焙杖M(fèi)特十分重視這個(gè)共性，她說(shuō)：“每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但是，都能從不同的道路把我們引向類(lèi)似的結(jié)論。這是很值得注意的，看起來(lái)像是一個(gè)焦點(diǎn)，試圖告訴我們某些事物?！?/p>

現(xiàn)在，量子引力理論已經(jīng)進(jìn)入了它的成熟階段，我們將越來(lái)越多地看到早期宇宙之謎的解釋。這不僅有益于宇宙學(xué)的進(jìn)展，而且對(duì)人類(lèi)思維領(lǐng)域的拓寬，也大有裨益。