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宇宙大爆炸?其实是大凝结!

一种新观点认为,宇宙大爆炸不是一切的开始,而是一个转变的时刻。

大爆炸的神秘面纱

人们常常把宇宙大爆炸与美国天文学家爱德文·哈勃联系起来,但它的起源可以追溯到比利时神父、天文学家乔治·勒梅特。20世纪20年代末,勒梅特曾观察到宇宙在膨胀,他推测宇宙在很久之前是一个“原始原子”,它逐渐膨胀,最终变为我们今天看到的一切。

这个“原始原子”是什么?它从哪里来?霍金曾说过,问大爆炸之前发生了什么就像问北极的北部是什么。他认为,既然时间本身就在那一时刻被创造出来,再问之前发生了什么就毫无意义了。这并没有阻止其他物理学家试图回答这样的问题。勒梅特自己就曾提出过“凤凰宇宙理论”,认为宇宙像凤凰一样,能涅槃重生。他认为,宇宙的膨胀会放缓,然后逆转,最终坍缩成一个新的原始原子,然后再一次发生大爆炸,宇宙又一次重生。

本世纪初,一些物理学家还提出了所谓的“火宇宙理论”,认为我们所在的宇宙其实是一个有着更高维度的、极其宏大的宇宙的一小部分。大爆炸是这个高维宇宙的两个部分发生碰撞产生的,碰撞后形成了我们所在的三维空间。

其他一些提议更加疯狂,比如一种根据暴胀理论给出的推测。暴胀指的是宇宙早期急速膨胀的过程,它由能量随机波动引起,但这种波动随时随地都可能发生。这不仅意味着我们宇宙的某个地方会在某一天突然暴胀为一个新的宇宙,而且还表明我们的宇宙可能是从某个古老的宇宙中暴胀出来的。

无论是凤凰宇宙理论、火宇宙理论,还是暴胀理论,它们都试图揭开大爆炸的神秘面纱。然而,它们都无法准确地描述大爆炸的关键时刻究竟发生了什么。

大爆炸那一时刻

大爆炸源自我们最好的引力理论——广义相对论。广义相对论认为,恒星和行星能扭曲自己周围的时空,这种扭曲产生了引力。我们从天文观测中知道,时空在膨胀,根据广义相对论,这意味时空在过去某个时刻必须是一个体积无穷小的、密度无穷大的点,被称为奇点。但当时空变得越来越小时,量子力学相关的效应必须考虑进去。然而,广义相对论与量子力学理论很难融合,这给研究大爆炸那一时刻带来了极大的困难。

在过去的几十年里,物理学家一直在尝试把这两个理论融合成一种量子引力理论,并取得了许多进展。例如,一种途径是把时空看成非连续的,认为它是由一个个“时空原子”构成的。

另一些物理学家一直在尝试绕开这个困难,去研究大爆炸那一时刻,他们首先想到的是水。

如果时空是流体

想象一下把一桶水浇在你的头上。水是由许多受到量子力学支配的分子构成的,但是你不需要知道细节就知道你的头发会被淋湿。你甚至可以用流体力学精确地计算出水是如何流动的,而流体力学早在量子理论提出之前就存在了。如果流体力学允许我们精确地描述流体,而不去纠缠分子的细节,那么也许有一种办法能精确地描述时空,而不需要知道涉及到“时空原子”的细节。

这种类比并不仅仅是表面上的。在过去几年里,物理学家利用流体制造了一些模型,发现它们与时空本身十分相似(参见拓展阅读)。一些物理学家认为,时空不只像一种流体,它其实就是一种流体。

如果真是如此的话,时空也许会有多种状态,能发生类似的相变。我们知道,水有三个常见状态,分别是冰、液态水和水蒸气。它们都是由水分子组成的,但是这些分子之间的相互作用是不同的。在水蒸气中,分子四处飘荡,彼此间的作用力很弱。然而,如果它们撞上窗户上冰冷的玻璃,它们就开始挤在一起,由气体凝结成液体。

物理学家认为,正常的时空类似液态水一样,它有着时间和几何结构。如果时空变为类似水蒸气的话,“时空原子”仍会存在,但时空此时是一种没有时间和几何结构的异域世界。

物理学家对这种理论不断完善,取得了不错的研究成果。一个推论是,宇宙开始时发生的大事件不是一场大爆炸,而是一次急速的相变,从类似水蒸气的状态凝结成类似液态水的状态。这意味着宇宙根本没有一个明确的开端,我们所认为的大爆炸只是一个凝结的瞬间(见图示“流体时空”)。这个瞬间可以被称为“大凝结”,如果让时间倒流的话,那么这个瞬间则是“大沸腾”。

那么,在大凝结另一边的时空是怎样的?

在那个时空中,我们所熟悉的时间和空间概念将不复存在,没有所谓的“上下前后左右”以及“过去、现在和未来”,所以我们很难用语言来形容它们。这类似水中的鱼试图想象水蒸气一样困难。

“大凝结”理论受到了许多其他物理学家的欢迎,但是目前没有任何证据能证明它是正确的。物理学家正在尝试用它来推导出一个可被验证的推论,来检验理论本身的正确性。他们首先要做的,则是想办法用数学描述那个类似水蒸气的时空。这项工作无疑是极为困难的,但这些物理学家准备接受这一挑战,用他们的话讲,那就是“努力做一条跃出水面的鱼”。

拓展阅读

用流体模拟时空的实验

越来越多的实验表明,时空和流体之间存在很强的相似性。例如在2001年,来自美国的物理学家研究了一种特殊的流体,叫做玻色-爱因斯坦凝聚态。这种流体是由一堆处于超冷环境下的原子组成,这些原子就像士兵一样,能整齐划一地活动,使它们看起来如同一个单一的原子。物理学家通过调整磁场限制这种流体,使其短暂膨胀,然后爆炸。爆炸产生的粒子对喷流,类似于大爆炸后物质的产生。

在2016年,来自以色列的物理学家使用了类似的手法,用玻色-爱因斯坦凝聚态模拟出了一个黑洞。黑洞是一种任何物质包括光线都无法从中逃离的天体,类似于水面上的漩涡。这个模拟是为了检测关于黑洞最著名的预测之一:黑洞会产生辐射,即霍金辐射。果然,物理学家观察到了这个模拟黑洞也会产生类似霍金辐射的东西。

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