班子辰

一種新觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙大爆炸不是一切的開始，而是一個(gè)轉(zhuǎn)變的時(shí)刻。

大爆炸的神秘面紗

人們常常把宇宙大爆炸與美國天文學(xué)家愛德文·哈勃聯(lián)系起來，但它的起源可以追溯到比利時(shí)神父、天文學(xué)家喬治·勒梅特。20世紀(jì)20年代末，勒梅特曾觀察到宇宙在膨脹，他推測宇宙在很久之前是一個(gè)“原始原子”，它逐漸膨脹，最終變?yōu)槲覀兘裉炜吹降囊磺小?/p>

這個(gè)“原始原子”是什么？它從哪里來？霍金曾說過，問大爆炸之前發(fā)生了什么就像問北極的北部是什么。他認(rèn)為，既然時(shí)間本身就在那一時(shí)刻被創(chuàng)造出來，再問之前發(fā)生了什么就毫無意義了。這并沒有阻止其他物理學(xué)家試圖回答這樣的問題。勒梅特自己就曾提出過“鳳凰宇宙理論”，認(rèn)為宇宙像鳳凰一樣，能涅槃重生。他認(rèn)為，宇宙的膨脹會(huì)放緩，然后逆轉(zhuǎn)，最終坍縮成一個(gè)新的原始原子，然后再一次發(fā)生大爆炸，宇宙又一次重生。

本世紀(jì)初，一些物理學(xué)家還提出了所謂的“火宇宙理論”，認(rèn)為我們所在的宇宙其實(shí)是一個(gè)有著更高維度的、極其宏大的宇宙的一小部分。大爆炸是這個(gè)高維宇宙的兩個(gè)部分發(fā)生碰撞產(chǎn)生的，碰撞后形成了我們所在的三維空間。

其他一些提議更加瘋狂，比如一種根據(jù)暴脹理論給出的推測。暴脹指的是宇宙早期急速膨脹的過程，它由能量隨機(jī)波動(dòng)引起，但這種波動(dòng)隨時(shí)隨地都可能發(fā)生。這不僅意味著我們宇宙的某個(gè)地方會(huì)在某一天突然暴脹為一個(gè)新的宇宙，而且還表明我們的宇宙可能是從某個(gè)古老的宇宙中暴脹出來的。

無論是鳳凰宇宙理論、火宇宙理論，還是暴脹理論，它們都試圖揭開大爆炸的神秘面紗。然而，它們都無法準(zhǔn)確地描述大爆炸的關(guān)鍵時(shí)刻究竟發(fā)生了什么。

大爆炸那一時(shí)刻

大爆炸源自我們最好的引力理論——廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論認(rèn)為，恒星和行星能扭曲自己周圍的時(shí)空，這種扭曲產(chǎn)生了引力。我們從天文觀測中知道，時(shí)空在膨脹，根據(jù)廣義相對(duì)論，這意味時(shí)空在過去某個(gè)時(shí)刻必須是一個(gè)體積無窮小的、密度無窮大的點(diǎn)，被稱為奇點(diǎn)。但當(dāng)時(shí)空變得越來越小時(shí)，量子力學(xué)相關(guān)的效應(yīng)必須考慮進(jìn)去。然而，廣義相對(duì)論與量子力學(xué)理論很難融合，這給研究大爆炸那一時(shí)刻帶來了極大的困難。

在過去的幾十年里，物理學(xué)家一直在嘗試把這兩個(gè)理論融合成一種量子引力理論，并取得了許多進(jìn)展。例如，一種途徑是把時(shí)空看成非連續(xù)的，認(rèn)為它是由一個(gè)個(gè)“時(shí)空原子”構(gòu)成的。

另一些物理學(xué)家一直在嘗試?yán)@開這個(gè)困難，去研究大爆炸那一時(shí)刻，他們首先想到的是水。

如果時(shí)空是流體

想象一下把一桶水澆在你的頭上。水是由許多受到量子力學(xué)支配的分子構(gòu)成的，但是你不需要知道細(xì)節(jié)就知道你的頭發(fā)會(huì)被淋濕。你甚至可以用流體力學(xué)精確地計(jì)算出水是如何流動(dòng)的，而流體力學(xué)早在量子理論提出之前就存在了。如果流體力學(xué)允許我們精確地描述流體，而不去糾纏分子的細(xì)節(jié)，那么也許有一種辦法能精確地描述時(shí)空，而不需要知道涉及到“時(shí)空原子”的細(xì)節(jié)。

這種類比并不僅僅是表面上的。在過去幾年里，物理學(xué)家利用流體制造了一些模型，發(fā)現(xiàn)它們與時(shí)空本身十分相似（參見拓展閱讀）。一些物理學(xué)家認(rèn)為，時(shí)空不只像一種流體，它其實(shí)就是一種流體。

如果真是如此的話，時(shí)空也許會(huì)有多種狀態(tài)，能發(fā)生類似的相變。我們知道，水有三個(gè)常見狀態(tài)，分別是冰、液態(tài)水和水蒸氣。它們都是由水分子組成的，但是這些分子之間的相互作用是不同的。在水蒸氣中，分子四處飄蕩，彼此間的作用力很弱。然而，如果它們撞上窗戶上冰冷的玻璃，它們就開始擠在一起，由氣體凝結(jié)成液體。

物理學(xué)家認(rèn)為，正常的時(shí)空類似液態(tài)水一樣，它有著時(shí)間和幾何結(jié)構(gòu)。如果時(shí)空變?yōu)轭愃扑魵獾脑?，“時(shí)空原子”仍會(huì)存在，但時(shí)空此時(shí)是一種沒有時(shí)間和幾何結(jié)構(gòu)的異域世界。

物理學(xué)家對(duì)這種理論不斷完善，取得了不錯(cuò)的研究成果。一個(gè)推論是，宇宙開始時(shí)發(fā)生的大事件不是一場大爆炸，而是一次急速的相變，從類似水蒸氣的狀態(tài)凝結(jié)成類似液態(tài)水的狀態(tài)。這意味著宇宙根本沒有一個(gè)明確的開端，我們所認(rèn)為的大爆炸只是一個(gè)凝結(jié)的瞬間（見圖示“流體時(shí)空”）。這個(gè)瞬間可以被稱為“大凝結(jié)”，如果讓時(shí)間倒流的話，那么這個(gè)瞬間則是“大沸騰”。

那么，在大凝結(jié)另一邊的時(shí)空是怎樣的？

在那個(gè)時(shí)空中，我們所熟悉的時(shí)間和空間概念將不復(fù)存在，沒有所謂的“上下前后左右”以及“過去、現(xiàn)在和未來”，所以我們很難用語言來形容它們。這類似水中的魚試圖想象水蒸氣一樣困難。

“大凝結(jié)”理論受到了許多其他物理學(xué)家的歡迎，但是目前沒有任何證據(jù)能證明它是正確的。物理學(xué)家正在嘗試用它來推導(dǎo)出一個(gè)可被驗(yàn)證的推論，來檢驗(yàn)理論本身的正確性。他們首先要做的，則是想辦法用數(shù)學(xué)描述那個(gè)類似水蒸氣的時(shí)空。這項(xiàng)工作無疑是極為困難的，但這些物理學(xué)家準(zhǔn)備接受這一挑戰(zhàn)，用他們的話講，那就是“努力做一條躍出水面的魚”。

拓展閱讀

用流體模擬時(shí)空的實(shí)驗(yàn)

越來越多的實(shí)驗(yàn)表明，時(shí)空和流體之間存在很強(qiáng)的相似性。例如在2001年，來自美國的物理學(xué)家研究了一種特殊的流體，叫做玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。這種流體是由一堆處于超冷環(huán)境下的原子組成，這些原子就像士兵一樣，能整齊劃一地活動(dòng)，使它們看起來如同一個(gè)單一的原子。物理學(xué)家通過調(diào)整磁場限制這種流體，使其短暫膨脹，然后爆炸。爆炸產(chǎn)生的粒子對(duì)噴流，類似于大爆炸后物質(zhì)的產(chǎn)生。

在2016年，來自以色列的物理學(xué)家使用了類似的手法，用玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)模擬出了一個(gè)黑洞。黑洞是一種任何物質(zhì)包括光線都無法從中逃離的天體，類似于水面上的漩渦。這個(gè)模擬是為了檢測關(guān)于黑洞最著名的預(yù)測之一：黑洞會(huì)產(chǎn)生輻射，即霍金輻射。果然，物理學(xué)家觀察到了這個(gè)模擬黑洞也會(huì)產(chǎn)生類似霍金輻射的東西。