陳壯叔

2014年3月17日，新華社發(fā)出一條醒目的報道，稱美國航空航天局設(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，宇宙空間瞬間擴大了1025倍。理論家說，在暴脹結(jié)束時必將產(chǎn)生引力波，這是一種空間的波紋，也是愛因斯坦廣義相對論的一個重要預(yù)言。光子碰到引力波時將產(chǎn)生偏振，而BICEP2望遠(yuǎn)鏡探測到的，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中突然出現(xiàn)的那一幕呢？其實，早在10多年前，科學(xué)家就已經(jīng)開始探索這一神秘的時刻了。

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

再做分割）的那個瞬間。此時，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），線度約為10-35米。因為普朗克時期在時間、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)家還是無法推測這之前的情況，也無法知道空間和時間的本質(zhì)特征。他們?nèi)鄙僖话谚€匙，那就是量子引力理論。

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

當(dāng)我們把宇宙的時鐘向回?fù)?，將看到物質(zhì)日益擠緊，引力變得越來越大。根據(jù)相對論，宇宙產(chǎn)生自一個無限密實的奇點，其空間和時間極限彎曲，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，正是量子論的用武之地。因此，欲搞清萬物之開始，必須把這兩個理論結(jié)合起來，產(chǎn)生一個量子引力理論。

現(xiàn)在我們來看一下量子引力理論如何看待宇宙的初生。近年來，在這方面出現(xiàn)了幾種理論，其中引人注目的，至少有三個完全獨立的量子引力理論。它們都認(rèn)為，宇宙進(jìn)入存在時是很寂靜的，這是一個完全孤立的瞬間，沒有任何東西、任何地方是相互連接的。這意味著，沒有東西（諸如聲音、光或其他信息）能在它們之間通過。這一寂靜時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)了它們的一個共同點：當(dāng)宇宙回到高溫、密實的原初時刻時，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。

寂靜時刻表明，那時的空間和時間是分開的，很可能源于原始的量子起伏。按照卡立泊的計算，在宇宙的第一個10-43秒時，空間被分割成互不相連的塊。在一個被稱為因果動力學(xué)三角的

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

按照因果動力學(xué)三角理論，宇宙將以某一種相（共有三種）出現(xiàn)。一種類似于我們這一種，即不同的區(qū)域相互連接，并通過信號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。第三種類型的空間完全斷開，宇宙中的每一塊空間都是孤立的。換言之，這是一個寂靜的宇宙。

這些理論是否可信現(xiàn)在還無法判斷。不過，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。瑞典斯德哥爾摩理論物理研究所的赫塞費特說：“早期宇宙是我們進(jìn)入量子引力最可靠的大門，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)而知悉空間和時間的本質(zhì)特性。”

圈量子引力理論認(rèn)為，空間和時間都是由維和結(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。驗證該理論的一個方法，就是通過量子引力宇宙可看到圈量子引力宇宙獨有的歷史。從中可以看出，在宇宙開始時的高能、高密條件下，維和結(jié)是如何運行的。

巴勞等人將量子引力宇宙的膨脹往回收縮時，看到光速也慢了下來；當(dāng)他們把萬物壓縮到極熱、極密態(tài)時，量子引力宇宙最終到達(dá)一點，光速也變?yōu)榱?。如果光無法運動，就無法通信了，沒有力能夠傳遞出去，每一個區(qū)域的時空之間都是斷開的。這是另一種寂靜時刻。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暴脹期，在量子引力宇宙模型中，它的發(fā)生是一種被稱為“反彈”的自然結(jié)果，而這一時刻先于宇宙進(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物之始。2006年，路易斯安那州立大學(xué)的辛格等人說，如果把圈量子宇宙的時鐘往回?fù)埽阕罱K將碰到一個時刻，那里的維和結(jié)都處在能量超載的狀態(tài)，能夠產(chǎn)生一個斥力，迫使空間翻出并再次開始膨脹。而這一膨脹過程，就是人們所說的大爆炸。如果宇宙含有任何形式的“標(biāo)量場”（這是一種霧狀的東西），對空間的每一點施加力，可以導(dǎo)致一個自然的暴脹。在所有的宇宙學(xué)理論中加入“標(biāo)量場”，可作為各種力（電磁、強、弱和引力）的種子。

這個模型會進(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)在可觀測范圍的2倍，甚至有科學(xué)家認(rèn)為可能達(dá)到10萬或100億倍。量子引力宇宙模型有其

獨特性，其方程允許時間并入空間，也就是說，這個模型中只有四維的空間，而沒有時間。對大多數(shù)人來說這僅是一個概念，但對巴勞等人來說，這是一個研究方向，是受到肯定的信號。

不過，辛格等人對此并不看好。他們認(rèn)為，寂靜時刻僅是人們的一個猜想，那是“十分初始和猜測性的”，并認(rèn)為“這個結(jié)論是十分不成熟的，多半是不真實的”。

量子引力學(xué)界的科學(xué)家說，在我們對真實宇宙做出確切的測試之前，還有一段相當(dāng)長的路要走。最好的測試是觀測宇宙微波背景中微妙的圖像，而來自歐空局的普朗克衛(wèi)星刻畫出了全天最詳細(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：“我們正在等待后普朗克的測量?！?/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到有寂靜時刻的區(qū)域，或者空間維正在消失。他說：“這是可信的，存在某種可觀測的信號?！?/p>

不同量子引力模型之間的協(xié)作提供了很好的線索，以開拓這個領(lǐng)域。辛格指出，在模擬時空從量子態(tài)轉(zhuǎn)變到經(jīng)典態(tài)的時刻，量子引力宇宙和因果動力學(xué)三角理論產(chǎn)生了共鳴，給出了一個完全經(jīng)典的時空。辛格說：“這可能向我們顯示，這個結(jié)果反映了關(guān)于時空量子特征的一個更深層次的真理?！焙杖M特十分重視這個共性，她說：“每種方法都有其優(yōu)缺點，但是，都能從不同的道路把我們引向類似的結(jié)論。這是很值得注意的，看起來像是一個焦點，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，而且對人類思維領(lǐng)域的拓寬，也大有裨益。