如果宇宙始于大爆炸,那么大爆炸始于?

作者: Alastair Wilson

来源: 原理

发布日期: 2022-01-11

本文探讨了宇宙大爆炸的起源问题,从物理物质的起源、大统一时期、普朗克时期到共形循环宇宙学(CCC),提出了多种推测性的解释。文章还讨论了量子场论、量子引力理论以及彭罗斯的共形循环宇宙学模型,试图解答宇宙从无到有的问题。

如果宇宙始于大爆炸,那么大爆炸又源于何处呢?让我们先看看所谓的物理物质最初是如何产生的。如果我们的目标是解释由原子或分子构成的稳定物质的起源,那么在大爆炸时确实还没出现这样的东西。自大爆炸后,宇宙便开始膨胀和冷却。随着宇宙不断地冷却,一旦条件合适,第一批原子便会从更简单的粒子中形成,之后这些原子又会在恒星内聚变成更重的元素。

我们对这些过程已经有了详尽地理解,但是这种理解并不能解决宇宙“无中生有”的问题。因此,让我们再往前想想。最早的长寿命的物质粒子是质子和中子,它们共同构成了原子核。这些粒子在宇宙大爆炸后的万分之一秒左右出现。在那之前,确实没有任何我们熟悉意义上的物质。但物理学可以让我们继续顺着时间线往回走,追溯到任何稳定物质之前的物理过程。

这就把我们带到了所谓的大统一时期。

现在,我们已经进入了推测性物理学的范畴,因为我们还无法在实验中产生足够的能量来探测当时发生的那种过程。但一种合理的假设是,物理世界是由短寿命的基本粒子汤组成的。物质和反物质的量大致相当,每种物质粒子(比如夸克)都有一个反物质的“镜像”伙伴,它们几乎相同,只在一个方面有所不同,也就是电荷相反。当物质和反物质相遇时,它们会在能量的闪光中湮灭,这意味着,这些粒子在被不断创造和毁灭。

但这些粒子最初又是如何存在的呢?量子场论告诉我们,即使是真空,也就是“空无一物”的时空,同样充满了能量涨落形式的物理活动。这些涨落可以产生粒子,但它们很快就会消失。这已经在无数实验中被发现。

假设我们进一步追问,时空本身是从哪里产生的?那么我们就可以继续把时钟往前拨,回到真正古老的普朗克时期。

这是一段在宇宙历史上早到我们最好的物理理论都会崩塌的时期,只存在于宇宙大爆炸后一万亿分之一的一万亿分之一的一万亿分之一的一千亿分之一秒的时间里。在那一刻,空间和时间本身开始受到量子涨落的影响。物理学家通常分别利用量子力学和广义相对论进行研究,前者统治粒子的微观世界,后者则适用于巨大的宇宙尺度。但要真正理解普朗克时期,我们需要一个完整的量子引力理论,将两者合二为一。

我们仍然没有一个完美的量子引力理论,但已经有了一些尝试,比如弦理论和圈量子引力。在这些尝试中,常规空间和时间通常被看作是涌现的,就像深海表面的波浪。我们所体验到的空间和时间是在更深层次的微观层面上运行的量子过程的产物,而这些过程对我们这些扎根于宏观世界的生物来说可能极具颠覆性。

CCC对我们宇宙的大爆炸从何而来的问题提供了一些详细的、但是推测性的答案。

但是,即使彭罗斯的设想最终被未来宇宙学的进展所证明,我们可能会认为,我们仍然不会回答一个更深层次的问题,也就是一个关于物理现实本身来自何处的问题,换句话说,整个循环系统是如何形成的?

对于循环是如何开始的这个更深层次的问题的物理解释,大致有三种广泛的选择:它可能根本就没有物理解释;或者,可能有无休止的重复循环,每个循环本身就是一个宇宙,每个宇宙的初始量子状态由之前宇宙的某些特征来解释;又或者,可能有一个单一的循环,和一个单一的重复宇宙,这个循环的开始由其自身终结的某些特征来解释。彭罗斯设想了一连串无休止的新循环,部分原因与他自己对量子理论诠释的偏好有关。

在量子力学中,一个物理系统同时存在许多不同的状态的叠加,当我们测量它时,只能随机“选取”一个。对彭罗斯来说,每个周期都涉及随机量子事件的不同结果,这意味着每个周期都会与之前和之后的周期有所不同。这对实验物理学家来说其实是个好消息,因为它可能让我们通过普朗克卫星看到的大爆炸遗留辐射中的微弱痕迹或异常现象,从而窥视产生我们的古老宇宙。

对于科学哲学家来说,彭罗斯的观点非常迷人。

它为解释大爆炸开辟了新的可能性,使我们的解释超越了常规的因果。甚至对于神话爱好者来说,彭罗斯的愿景同样非常美丽,它暗含着一种从远古的灰烬中诞生的无尽新世界的图景。物理学家布莱恩·考克斯(Brian Cox)在纪录片《宇宙》中这样说道。而最后一颗恒星的消逝将只是一个漫长的黑暗时代的开始。所有物质最终都会被巨大的黑洞吞噬,而黑洞又会蒸发成最微弱的光辉。

空间不断向外扩张,直到即使是那些微弱的光也变得过于分散,再也无法发生相互作用。活动终将停止。宇宙遥远的未来会是这样的吗?而这也是大爆炸的来源吗?我们还没有答案。最后一颗恒星将慢慢冷却并消逝。随着它的熄灭,宇宙将再次成为一片虚空,没有光,没有生命,也没有意义。

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