宇宙大爆炸之前是什么?

作者: 蔡一夫、金庄维

来源: 天问专栏

发布日期: 2017-10-20

本文探讨了宇宙大爆炸之前的宇宙状态,以及科学家如何通过理论模型和实验观测来解开宇宙起源之谜。

盘古开天辟地的传说又有多少可信之处?神话故事用魔幻的手法让人们接受“宇宙是被一斧子劈开的,人类都是泥捏的”的“事实”,炮制这则故事的人也不用对其真实性提供任何可靠证据。科学家则不同,从提出假设到最终验证,期间的过程要比张口就来的故事章节坎坷得多。宇宙从何而来?大爆炸之前是什么?这些都属于科学问题吗?宇宙有所谓的“轮回”吗?

在宇宙学家眼中,热大爆炸宇宙学已是一个美丽绝伦的故事,它以最简单、最朴实无华却又充满想象力的艺术图像刻画了我们宇宙足足138亿年的历史。可是,故事的开端——大爆炸奇点真的存在吗?大爆炸之前的宇宙又是何种模样?

为了解决这一理论疑难,宇宙学家们针对大爆炸奇点的物理本性做了大量研究。这段历史可以追溯到80多年前,广义相对论刚刚诞生的时候。20世纪30年代,一群研究爱因斯坦引力理论的狂热分子们给出了各种各样的宇宙学解,来描绘各种可能的宇宙演化过程。其中,美国引力学家理查德·托尔曼指出,宇宙有可能是振荡的,它在演化过程中不断经历收缩→膨胀→再收缩→再膨胀地过程。

在构造这一图像的理论模型中,颇具代表性的有加拿大麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格教授与英国朴茨茅斯大学的大卫·沃兹分别独立提出的物质反弹模型以及本文作者蔡一夫在攻读博士期间与导师张新民教授提出的精灵反弹模型等。这些模型都可以解决热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。

宇宙学家在研究CMB的偏振涨落时发现,原初宇宙中的张量扰动(即原初引力波)可以直接导致CMB拥有B-模式的偏振信号。宇宙学家曾试图利用WMAP、Planck等卫星实验将近15年的数据来重构出原初扰动、甚至原初宇宙的模样。但遗憾的是,截止到目前原初引力波还没有被观测到。

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