宇宙是一个无始无终的循环?

作者: Samuel Velasco

来源: 环球科学

发布日期: 2020-08-18

科学家通过计算机模拟发现,宇宙收缩同样可以创造出今天我们所见宇宙的特征,并且在循环宇宙中,膨胀和收缩会交替进行,形成一个无始无终的宇宙。

最近,科学家通过复杂的计算机模拟发现,除了宇宙暴胀,宇宙收缩同样可以创造出今天我们所见宇宙的种种特征。并且在循环宇宙中,膨胀和收缩会交替进行。在这个理论中,宇宙无始无终。

目前,科学家通常是这样描述宇宙诞生的模样:大约140亿年前,宇宙出现了大量不知何处而来的能量。宇宙在短时间内开始急剧扩张,能量的爆发让宇宙像气球一样膨胀。

这次扩张将宇宙中任何大尺度上存在曲率的地方都拉平了,这也形成了今天我们所看到的结果:宇宙可能是一个平坦的几何结构。物质彻底地混合在一起,以至于宇宙看起来几乎没有明显特征。在宇宙各处,恒星与星系从成团的物质中产生了,它们也成为了本该光洁无暇的宇宙画布上不起眼的尘埃。

宇宙暴胀理论对这一现象进行了阐述,该理论与迄今为止所有观测都相符,大多数宇宙学家都对此表示认同。

不过也有人发现,暴胀理论的一些推论会令人困惑。大部分区域的时空都在不停地迅速膨胀。结果是,暴胀不可避免地会产生多重宇宙,即包含了无限多的“口袋宇宙”。一些批评者认为,暴胀理论能用来预测任何事,而这也相当于它最终什么都预测不了。近年来,斯坦哈特和其他人已经着手提出一套关于宇宙形成的不同理论。他们重拾起循环宇宙的观念:宇宙在周期性地扩张与收缩。

他们希望能够摆脱宇宙大爆炸的桎梏,再现我们今天所见的平坦而光滑的宇宙。

最近,斯坦哈特与一些专攻引力计算模型的研究者展开了合作,他们分析了一个坍缩的宇宙是如何改变其自身结构的。并且,研究最终发现坍缩宇宙的收缩程度能超过膨胀程度。不管宇宙在收缩前看起来多么奇异扭曲,宇宙坍缩都能够极大地抹平大部分的宇宙原始褶皱。

当人们试图将宇宙膨胀与收缩可视化时,常常将宇宙描述成气球,并且用一个“宇宙标度因子”来描述宇宙尺寸变化。此外,还存在另一个测量标尺——哈勃半径,也就是我们能见的最大距离,不过其一直备受冷遇。在广义相对论方程中,两个尺度因子会各自独立演化,并且你可以通过改变任何一个因子来使宇宙变得平坦。

斯坦哈特和他的搭档设想了一个可能已扩张了一万亿年的宇宙,该过程会被一种无所不在的(也是假设的)能量场所驱动。

当能量场最终变得稀疏,宇宙开始平缓地收缩。经过数十亿年,一个收缩的标度因子把万物都拉得更近了一些(但没有收缩到一个点)。而此时,宇宙剧烈的改变来自哈勃半径,它会迅速变化,最终变得极小。宇宙的收缩给能量场重新蓄能,令宇宙变热并且使其中的原子蒸发。紧随其后是一次向外反弹扩张,而宇宙再次循环,获得重生。

现在,宇宙暴胀与宇宙反弹理论都面临一项挑战,那就是它们需要证明,无论宇宙是怎样开始的,两项理论中的能量场是能造就现今宇宙的。伊尧什和斯坦哈特经常批评暴胀理论只在特殊情况下才成立,比如其能量场需要在无显著特征和位移极小的情况下形成。理论物理学家已经彻底地研究了这些情况,部分是因为这些是唯一用黑板和数学就能解决的例子。

尽管对于伊尧什和斯坦哈特的模型的兴趣各有不同,大多数宇宙学家依旧认同暴胀理论不会这样就轻易被扳倒。伊尧什和斯坦哈特接下来将继续充实反弹模型——这是一个更复杂的研究对象,其中需要引入全新的相互作用来将万物再次推开。研究团队希望利用反弹模型将收缩与膨胀阶段结合起来后,能找到一些能供天文学家观测的独特特征。

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