宇宙大爆炸之前到底发生了什么?(宇宙大爆炸学说)

新浪科技讯 北京时间5月6日消息，据国外媒体报道，过去几十年来，物理学家告诉我们，一开始宇宙处于密度和温度都无限高的状态，可以想象成一个无限稠密的小球体；然后，这个小球体爆炸了，产生了我们今天看到的原子、分子、恒星和星系。

但最近，新的理论物理学研究发现了一扇通向极早期宇宙的可能窗口，并指出这段时期可能根本就不是真正的“极早期”。相反，这可能只是最近一次“爆炸—反弹”周期的一部分。这样的循环至少出现过一次，并可能永远持续下去。

当然，在物理学家决定抛弃大爆炸而选择“大爆炸-反弹”周期之前，这些理论预测还需要经过大量的观察检验。

大爆炸理论

科学家对早期宇宙已经有了很好的认识，这就是我们熟知并广为接受的大爆炸理论。在这个模型中，很久以前的宇宙比现在小得多，热得多，密度也大得多。在138亿年前的早期宇宙中，构成我们今天所有一切的元素都是在大约12分钟内形成的。

大爆炸理论认为，甚至在更早的时候，在某一时刻，整个宇宙（包含所有的恒星，所有的星系，所有的一切）只有一个桃子那么大，而温度超过千万亿度。

令人惊讶的是，目前所有的观察结果都证实了这个奇幻的故事。天文学家做了各种各样的工作，从观测年轻宇宙遗留下来的电磁辐射，到测量最轻元素的丰度，结果发现它们都符合大爆炸理论的预测。就我们所知，这是目前对早期宇宙的最准确写照。

尽管如此，我们知道大爆炸理论的框架并不完整——有一块拼图不见了，而那块拼图就是宇宙本身最早的时刻。

这是宇宙最大的谜题之一。

火宇宙

问题在于，我们用来理解早期宇宙的物理学（广义相对论和高能粒子物理学的奇妙而复杂的大杂烩）只能把我们带到大爆炸那一刻。当我们试图把宇宙的最初时刻再向前推时，数学变得越来越难解，直到无法适用。

物理学家尚未探索的一个重要问题是在大爆炸开始时存在的“奇点”，或一个密度无穷大的点。从表面上看，这告诉我们，在某一时刻，宇宙被塞进了一个体积无限小、密度无限大的点。这显然是荒谬的，其真正代表的含义是，我们需要新的物理学来解决这个问题——目前的理论工具还不够好。

为了破解这一难题，我们需要一些新的物理学工具，一些能够在超高能量下处理引力和其他力的东西。这正是弦理论所主张的，它可以作为一种能够在超高能量下处理引力和其他力的物理模型。换言之，弦理论声称可以解释宇宙的最初时刻。

最早的弦理论概念之一是“火宇宙”（ekpyrotic universe），这个词来自希腊文，意为“大火”。在这一概念下，我们所知道的大爆炸是由在它之前发生的其他事件引发的——大爆炸不是开始，而是一个更大过程的一部分。

“火宇宙”的概念扩展之后，又产生了一种被弦理论激发的理论——循环宇宙（cyclic cosmology）。从技术上讲，宇宙不断循环往复的概念已经有几千年的历史了，比物理学还早，但弦理论为这个想法奠定了坚实的数学基础。正如一般想象的那样，这个“循环宇宙”不断在大爆炸和大挤压（big crunch）之间反弹，可能是回到过去的永恒，也可能是进入未来的永恒。

按照大反弹理论，每次循环都以一个平滑的小宇宙开始，但不可能像奇点那么小；之后，这个小宇宙逐渐扩张，变得越来越大，越来越扭曲，达到一定程度后开始坍缩，同时变得越来越平滑，最终缩小到开始时的体积；接着又重新开始同样的循环。

在初始之前

“循环宇宙”理论听起来很酷，但早期的数学模型很难匹配观测结果。当我们真正尝试做科学研究时，这是非常重要的一个问题。

最主要的障碍在于如何与宇宙微波背景的观测结果相吻合。宇宙微波背景是宇宙诞生38万年时遗留下来的热辐射，被称为“宇宙中最古老的光”。尽管我们不能直接观测到宇宙微波背景之前的一切，但如果想从理论上着手对早期宇宙的物理学进行修补，就会影响到这些“余光”的模式。

因此，循环宇宙似乎是一个简洁但不正确的概念。但是，多年以来，科学家们一直怀揣着“火宇宙”理论的种子。在2020年1月发表在arXiv数据库上的一篇论文中，加拿大麦吉尔大学的物理学家罗伯特·布兰登贝格尔（Robert Brandenberger）等研究者探索了该理论的数学难题，并发现了一些此前没注意的因素。他们发现，在“反弹”的时刻，即当宇宙收缩到一个极小的点并回到大爆炸状态时，可以使理论预测与观测检验的结果达成一致。

换句话说，尽管这个关键时期的物理学非常复杂（而且了解还很有限），但确实会让我们对宇宙的时间和位置有一个根本性的修正。当然，要完全检验这个模型，我们还必须等待新一代的宇宙学实验。在那之前，“宇宙诞生之前是什么”还将是一个无解的问题。