宇宙大爆炸之前究竟發生了什麼?

北京時間4月23日消息,據國外媒體報道,宇宙大爆炸一般被視作萬物的開端:約138億年前,可觀測宇宙發生了一場劇烈爆炸,一切也隨之從無到有。但在大爆炸之前,情況又是怎樣的呢?簡單的回答:不知道。長一點的回答:大爆炸之前可能有很多很多東西,每一種都極其復雜、令人頭疼。

宇宙大爆炸之前究竟發生了什麼?

開始

我們首先要理解宇宙大爆炸究竟為何物。

「宇宙大爆炸是時間的一個瞬間,而不是空間中的一個點。」加利福尼亞理工學院理論物理學家肖恩·卡羅(Sean Carroll)指出。

你想象中的宇宙大爆炸也許是這樣一副情景:一個極小、極緻密的點忽然爆炸,不斷向虛無中擴張。現在你可以把這種想象從腦海中抹去了。卡羅指出,首先,大爆炸發生時的宇宙不一定很小。不錯,如今可觀測宇宙(一個直徑約930億光年的球狀空間,包含至少2萬億個星系)中的一切都曾擠在一個直徑不到1厘米的狹小空間中。但在可觀測宇宙之外,也許還有許許多多地球人無法觀測到的事物,因為光在138億年間走不了那麼遠。

因此卡羅表示,大爆炸時的宇宙可能極其微小,也可能無限龐大。因為我們無法看到超出觀測范圍外的事物過去的樣子。我們只知道當時的宇宙非常、非常緻密,並且擴張的速度非常快,密度也隨之迅速減小。

真正說起來,宇宙之外應該空無一物才對,因為宇宙的定義就是包羅萬物。所以在大爆炸發生時,一切事物都比如今更緻密、更熾熱,但「在此之外」存在的事物並不比近日更多。你可能會想開上帝視角,想象自己站在一片虛空之中,看着大爆炸發生前、雜糅成一團的「嬰兒宇宙」。但卡羅指出,這是不可能的,並非是宇宙向空間中膨脹,膨脹的就是空間本身。

「無論你如今在宇宙中置身何處,如果你追溯到140億年前的自己,都會回到同樣一個極度熾熱、緻密和迅速擴張的狀態。」卡羅表示。

沒人知道宇宙中究竟發生了什麼事情,直到大爆炸發生1秒之後,宇宙足夠冷卻,讓質子和中子得以相撞並結合。確實有很多科學家認為,宇宙在這一秒鍾之內經歷了一個以指數級擴張的「膨脹」過程。這一過程可以撫平時空紋理,也可以解釋當今宇宙中的物質為何分布得如此均勻。

大爆炸之前

在大爆炸之前,宇宙也許是一條由極度熾熱、緻密的物質構成的無限延伸線。出於某些原因,這些物質能夠一直保持穩定狀態,直到宇宙大爆炸的發生。卡羅指出,這個極度緻密的宇宙也許曾由極小尺度上的物理法則——量子力學主宰。而隨後發生的宇宙大爆炸則代表了經典物理學取而代之、成為宇宙演化的主要推手的一瞬間。

霍金認為,這一瞬間才是關鍵所在。他指出,在大爆炸之前的一切事件都無法測量,因此也無從定義。霍金把這叫做「宇宙無邊界理論」:他認為時間和空間都是有限的,但既無邊界,又無起始點和終結點。就像地球有限、但無邊一樣。

「既然大爆炸之前的事件都沒有造成可觀測到的結果,我們不妨直接把它們從理論里砍掉,宣稱時間就是從宇宙大爆炸開始的。」霍金在2018年的一次采訪中表示。

還有一種可能:在宇宙大爆炸之前,也許還有其它值得我們探索的事物。有一種理論認為,宇宙大爆炸並非時間的起點,而是對稱的中心點。從這種理論來看,在大爆炸之前,還存在一個和當今宇宙一模一樣的宇宙,只不過熵的變化規律不是逐漸增加,而是逐漸減少。

卡羅指出,從本質上來說,熵增(即系統無序性增加)方向就是時間箭頭的方向。因此在這個鏡像宇宙中,時間的流逝也和現代宇宙相反。對那個宇宙而言,我們的宇宙才是過去。該理論的支持者還提出,其它宇宙特性在這個鏡像宇宙中也是剛好相反的。例如,物理學家戴維·斯隆(David Sloan)曾指出,另一個宇宙中的分子和離子的不對稱性(即手性)和我們的宇宙相反。

有一種相關理論認為,宇宙大爆炸並不是一切的開端,而是宇宙從收縮期向膨脹期切換的一瞬間。該「大反彈」理論認為,隨着宇宙不斷擴張、收縮、再擴張,還會發生無數次大爆炸。但卡羅指出,這些理論的問題在於,它們並未解釋宇宙為何、或如何從擴張態轉為收縮態、從高熵態轉為低熵態。

卡羅和同事珍妮弗·陳(Jennifer Chen,音譯)對宇宙大爆炸也提出了自己的設想。2004年,兩位科學家提出,我們所知的宇宙也許是一個母宇宙的「後代」,是從母宇宙中剝落的一小塊時空。

卡羅稱這就像放射性原子核的衰變過程:原子核衰變時會釋放出一個α或β粒子,而母宇宙也會如此,只不過釋放的不是粒子,而是子宇宙,且數量也許多達無窮。「也許是某次量子波動造成了這樣的結果」。卡羅表示。這些子宇宙「是真正意義上的平行宇宙」,並且不會與彼此發生相互作用、或者對彼此造成影響。

你可能覺得這些理論聽起來十分魔幻,事實也的確如此,因為科學家連宇宙大爆炸的一瞬間都看不到,更別提大爆炸之前的情況了。不過卡羅指出,探索的機會還是有的。2015年探測到的、由星系劇烈相撞產生的引力波就提供了這樣一種可能性,我們也許可以用引力波揭開宇宙大爆炸後關鍵一秒內、關於宇宙擴張的種種未解之謎。

卡羅表示,理論物理學家也有大量工作要做,比如對量子引力等量子力做出更精準的預測。

「除非我們有理論可參考,否則我們連自己在找些什麼都不知道。」卡羅指出。(葉子)

來源:cnBeta