宇宙大爆炸之前究竟发生了什么?

宇宙大爆炸之前究竟发生了什么?
2019年04月23日 08:05 新浪科技

  新浪科技讯 北京时间4月23日消息,据国外媒体报道,宇宙大爆炸一般被视作万物的开端:约138亿年前,可观测宇宙发生了一场剧烈爆炸,一切也随之从无到有。

  但在大爆炸之前,情况又是怎样的呢?

  简单的回答:不知道。长一点的回答:大爆炸之前可能有很多很多东西,每一种?#25216;?#20854;复杂、令人头疼。

  开始

  我们首先要理解宇宙大爆炸究竟为何物。

  “宇宙大爆炸是时间的一个瞬间,而不是空间中的一个点。”加利福尼亚理工学院理论物理学家肖恩·卡罗(Sean Carroll)指出。

  你想象中的宇宙大爆炸也许是这样一副情景:一个极小、极?#26053;?#30340;点忽然爆炸,不断向虚无中扩张。现在你可以把这种想象从?#38498;?#20013;抹去了。卡罗指出,首先,大爆炸发生时的宇宙不一定很小。不错,如今可观测宇宙(一个?#26412;?#32422;930亿光年的球状空间,包含至少2万亿个星系)中的一切都曾挤在一个?#26412;?#19981;到1厘米的?#21015;?#31354;间中。但在可观测宇宙之外,也许还有许许多多地球人无法观测到的事物,因为光在138亿年间走不了那么远。

  因此卡罗表示,大爆炸时的宇宙可能极其微小,也可能无限庞大。因为我们无法看到超出观测范围外的事物过去的样子。我们只知道当时的宇宙非常、非常?#26053;埽?#24182;且扩张的速度非常快,密度也随之迅速减小。

  真正说起来,宇宙之外应该空无一物才对,因为宇宙的定义就?#21069;?#32599;万物。所以在大爆炸发生时,一切事物都比如今更?#26053;堋?#26356;炽热,但“在此之外”存在的事物并不比近日更多。你可能会想开?#31995;?#35270;角,想象?#32422;?#31449;在一片虚空之中,看着大爆炸发生前、杂糅成一团的“婴儿宇宙”。但卡罗指出,这是不可能的,并非是宇宙向空间中膨胀,膨胀的就是空间本身。

  “无论你如今在宇宙中置身何处,如果你追溯到140亿年前的?#32422;海?#37117;会回到同样一个极度炽热、?#26053;?#21644;迅速扩张的状态。”卡罗表示。

  没人知道宇宙中究竟发生了什么事情,直到大爆炸发生1秒之后,宇宙足够冷却,让?#39318;?#21644;中子得以相撞并结合。确实有很多科学家认为,宇宙在这一秒钟之内经历了一个以指数级扩张的“膨胀”过程。这一过程可以抚平时空?#35780;恚?#20063;可以解释当今宇宙中的物质为何分布得如此均匀。

  大爆炸之前

  在大爆炸之前,宇宙也许是一条由极度炽热、?#26053;?#30340;物?#20351;?#25104;的无限延伸线。出于某些原因,这些物质能够一?#21271;?#25345;稳定状态,直到宇宙大爆炸的发生。卡罗指出,这个极度?#26053;?#30340;宇宙也许曾由极小尺度上的物理法则——量子力学主宰。而随后发生的宇宙大爆炸则代表了经典物理学取而代之、成为宇宙演化的主要推手的一瞬间。

  霍金认为,这一瞬间才是关键所在。他指出,在大爆炸之前的一切?#24405;?#37117;无法测量,因此也无从定义。霍金把这叫做“宇宙无边界理论?#20445;?#20182;认为时间和空间都是有限的,但既无边界,又无起始点和终结点。就像地球有限、但无边一样。

  “既然大爆炸之前的?#24405;?#37117;没有造成可观测到的结果,我们不妨直接把它们从理论里?#36710;簦?#23459;称时间就是从宇宙大爆炸开始的。?#34987;?#37329;在2018年的一次采访中表示。

  还有一种可能:在宇宙大爆炸之前,也许还有其它值得我们探索的事物。有一种理论认为,宇宙大爆炸并非时间的起点,而是对称的?#34892;?#28857;。从这种理论来看,在大爆炸之前,还存在一个和当今宇宙一模一样的宇宙,只不过熵的变化规律不是逐渐增加,而是逐渐减少。

  卡罗指出,从?#23616;?#19978;来说,熵增(即系统无序性增加)方向就是时间箭头的方向。因此在这个镜像宇宙中,时间的流逝也和现代宇宙相反。?#38405;?#20010;宇宙而言,我们的宇宙才是过去。该理论的支持者还提出,其它宇宙特性在这个镜像宇宙中也是刚好相反的。例如,物理学家戴维·斯隆(David Sloan)曾指出,另一个宇宙中的分子和离子的不对称性(即?#20013;裕?#21644;我们的宇宙相反。

  有一种相关理论认为,宇宙大爆炸并不是一切的开端,而是宇宙从收缩期向膨?#25512;?#20999;换的一瞬间。该“大反弹”理论认为,随着宇宙不断扩张、收缩、再扩张,还会发生无数次大爆炸。但卡罗指出,这些理论的问题在于,它们并未解释宇宙为何、或如何从扩张态转为收缩态、从高熵态转为低熵态。

  卡罗和同事珍妮弗·陈(Jennifer Chen,音译)对宇宙大爆炸也提出了?#32422;?#30340;设想。2004年,两位科学家提出,我们所知的宇宙也许是一个母宇宙的“后代?#20445;?#26159;从母宇宙中剥落的一小块时空。

  卡罗称这就像放射性原子核的衰变过程:原子核衰变时会释放出一个α或β粒子,而母宇宙也会如此,只不过释放的不是粒子,而是子宇宙,且数量也许多达无穷。“也许是某次量子波动造成了这样的结果”。卡罗表示。这些子宇宙“是真正意义上的平行宇宙?#20445;?#24182;?#20063;?#20250;与彼此发生相互作用、或者对彼此造成影响。

  你可能觉得这些理论听起来十分魔幻,事实也的确如此,因为科学家连宇宙大爆炸的一瞬间都看不到,更别提大爆炸之前的情况了。不过卡罗指出,探索的机会还是有的。2015年探测到的、?#23578;?#31995;剧烈相撞产生的引力波就提供了这样一种可能性,我们也许可以用引力波揭开宇宙大爆炸后关键一秒内、关于宇宙扩张的种种未解之谜。

  卡罗表示,理论物理学家也有大量工作要做,比如对量?#21491;?#21147;等量子力做出更精准的预测。

  “除非我们有理论可参考,否则我们连?#32422;?#22312;找些什么都不知道。”卡罗指出。(叶子)

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