科學家建新宇宙模型揭示宇宙「成、住、壞、空」循環不已
　來源：《新科學家》雜誌　

關於宇宙在時間上是否有開端、空間上是否有極限的問題源於人類對哲學的思考。可時至今日，物理學依然在為此爭論不休。


　　在英國《新科學家》雜誌10月23日的報導中，美國普林斯頓大學天文學教授保羅·斯泰恩哈特和他的同事建立了一個新的循環宇宙模型。用循環宇宙替代大爆炸理論的說法，再次引起了人們的關注。

　　斯泰恩哈特解釋，在宇宙坍塌至一個點前，一種帶負壓力的未知的場將一切向外猛推。研究小組利用了「幽靈」場——一種物理學上不現實但是數學角度上非常簡單的帶負動能的場——來指代這一未知場。

　　在他的描述中，幽靈場非常弱，以至於幾乎可以被忽略，除了在反彈階段——也即宇宙非常小非常密集的階段。利用幽靈方程式，描述廣義相對論下時空的計算工具顯示，垂死宇宙的微小波動的確能夠轉移到新生的宇宙裡。

　　不過，斯泰恩哈特也承認，反彈模型依然具有自身的缺陷。宇宙神秘推力的本質仍然是個未知數。

　　

廣義相對論在奇點處失效

　　在人們固有的認識中，宇宙在很久很久以前，是由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的，這種狀態也被稱為奇點，是我們宇宙的誕生時期，而在這之前，既沒有時間，也沒有空間。此後，因為一股神秘的力量，致使奇點突發爆炸膨脹，並一直持續到今天的狀態。大爆炸理論至今仍是被科學界最廣泛認可的宇宙起源模式，它的框架基於愛因斯坦的廣義相對論。

　　但是，廣義相對論本身卻在奇點處失效，到目前為止，還沒有證據能夠直接或間接描述膨脹初始的極短時間內的宇宙狀態。大爆炸理論無法對宇宙的初始狀態作出任何描述和解釋，它構建的只是宇宙在初始狀態之後的演化圖景。

　　一直以來，奇點也被看作是時間的起點，如果奇點無法被解釋，它作為時間的初始地位也就自然地被動搖了。宇宙的出現是否早於今天我們所認知的時間？

　　保羅·斯泰恩哈特和加拿大安大略省滑鐵盧市圓周理論物理研究所的主任尼爾·圖洛克在合著的《無限宇宙：大爆炸之後》中這樣寫道：「無論是時間還是宇宙都沒有開始或者結束。宇宙進化過程是循環往復的，『大爆炸』每一萬億年發生一次，每一次都伴隨著新物質和新輻射的產生，並形成新的星系、恆星、行星以及生命。我們不過是最近一次循環的組成部分。」

　　1922年，蘇聯宇宙學家、數學家亞歷山大·弗裡德曼假設了宇宙在大尺度上均勻和各向同性，利用引力場方程推導出描述空間上均一且各向同性的弗裡德曼方程。該方程可以有不同的解，一種情況是宇宙將永遠膨脹下去，而另一種情況則可以是宇宙膨脹減慢到一定限度後出現脹縮交替。

　　尼爾·圖洛克認為，正是弗裡德曼最早提出了循環宇宙的概念。在這個設想中，一個有限的宇宙一遍又一遍地反覆崩塌和反彈。可以說，現今的這個宇宙正是前一個宇宙崩塌後反彈形成的。而在循環宇宙模型中，不存在奇點。

　　中科院國家天文台研究院陳學雷告訴《中國科學報》記者，儘管循環理論的歷史幾乎和大爆炸理論一樣長，但在大多數時間裡它並沒有得到認可。

　　依照早年循環模型的設定，宇宙的每次反彈都會產生更多的輻射，這意味著宇宙中的物質將增多。根據愛因斯坦的方程式，宇宙每次反彈後會變得越來越大，以至於每次循環的時間將會變長。但追溯過去卻發現，每次反彈後的循環週期反而越來越短，一直縮短至零。這意味著宇宙仍然始於一個有限的過去。循環理論也無法自圓其說。
　　圈量子引力論與弦論的競爭

　　但到了21世紀，循環宇宙的理論卻開始吸引了一部分物理學家的關注，它在相對論的基礎上融入了量子力學理論。

　　量子力學與廣義相對論是20世紀最具革命性的兩大理論，但兩者卻互不兼容。廣義相對論研究大尺度的物體，而量子力學則掌管著亞原子粒子的微觀世界，一個具有定域性，而另一個則不具備。

　　美國賓夕法尼亞州立大學引力物理與幾何研究所主任阿貝·阿西提卡和他的研究團隊提出了一種被稱為「圈量子引力論」（LQG）的理論，並通過量子場論嘗試解釋引力論的量子化過程，將廣義相對論引入到了場論的道路上。阿西提卡發現，LQG理論可以解釋今天的宇宙是由前一個宇宙的崩潰而催生，大爆炸在迴圈量子引力論理論中是一種大反彈，並不是被看成一個奇點，這個過程是連續的。

　　這就好比恆星的坍縮。恆星都處於平衡態，向外噴發的輻射抵抗了向內收縮的引力作用。而當恆星燃燒殆盡之後，輻射減少，就沒有力量能夠抵抗引力的收縮了。宇宙的演化與之類似，LQG理論假定時空幾何本身具有離散的原子結構，宇宙在大爆炸之前坍縮到的一個「點」時，幾何本身的量子性質使之存在另外一種排斥力使宇宙從這個點爆炸出來。宇宙就是這樣經歷無窮無盡的擴展與收縮，無始無終。

　　在循環宇宙理論中，與圈量子引力論形成有力競爭的理論框架來自於弦論和M 理論。據陳學雷介紹，它的提出者正是保羅·斯泰恩哈特與尼爾·圖洛克。

　　圖洛克在一次關於循環宇宙的專訪中提到，弦論中描述的每個粒子實際上是一小串的弦，M 理論中無數平行的膜，其實就是更高緯度的弦。有一種假設，我們所生活的三維空間可能就是這些膜的其中之一，在這之外還存在另外一個無限大的平行宇宙。如果我們與另一平行膜產生碰撞時會發生什麼？

　　他認為，人們一般只考慮膜的靜態設定，卻沒有考慮到這種膜能夠移動的可能性。想像一下，如果這兩張膜彼此相互吸引，若要將它們分開，就必須向這個系統施加能量，那就是今日宇宙中存在的暗能量的一部分。根據該模型，暗能量實際上是不穩定的，它不會永遠保持不變，它會隨著膜與膜之間的距離擴大而提高。到了一定程度，這兩張膜開始走向對方，然後碰撞，也就是大爆炸的起源。在這個理論框架下，同樣可以得到一個可以無限次循環、永恆存在的宇宙。

　　而當膜與膜相撞的時候，這些褶曲就變成了如今所觀測到的密度不均勻，這些密度的不均勻就導致了星系的形成，這與大爆炸理論中暴漲模型對宇宙物質呈不均勻分佈的詮釋如出一轍。陳學雷說，在此之前，還沒有其他理論能對此作出解釋。

　　觀測證據支撐大爆炸理論

　　不過，在陳學雷看來，這些理論之所以還遠不足以跟大爆炸理論相抗衡，只被少數人接納，是因為它們還只是建立在某種數學或者物理模型基礎之上的假設，而缺乏實驗或觀測數據的支持。

　　中科院國家天文台原研究員、天文學家李競則在接受《中國科學報》記者採訪中表示，在大爆炸理論提出的近百年的時間裡，一些直接的觀測證據成為了這個理論的支柱。其中包括從星系紅移觀測到的哈勃膨脹、對宇宙微波背景輻射的精細測量、宇宙間輕元素的丰度，以及大尺度結構和星系演化。其間，還不斷有其他理論模型對大爆炸理論作進一步補充、解釋。

　

　李競告訴《中國科學報》記者，在20世紀末，一切關於宇宙的書籍都會提到，我們的宇宙今後可能有三種命運：一種命運，就是引力最終佔上風，最後引力克服四向膨脹的力量，宇宙不再膨脹，然後我們的宇宙就開始大收縮；第二種按照哈勃定律，無窮無盡地一直膨脹下去；第三種可能在膨脹之後又收縮，收縮之後又膨脹，變成反覆的脈動。

　　而過去十幾年裡，對遙遠的超新星的觀測結果似乎已經為宇宙的命運作出了選擇。我們的宇宙不僅在膨脹，而且還因為某種神秘的排斥力在加速膨脹。宇宙學家們把這種排斥力歸因於暗能量。

　　儘管，這對循環宇宙理論形成了不小的挑戰，不過，由於人類對於暗能量的認識還非常有限。支持循環宇宙理論的科學家認為，一些理論模型可以推測暗能量的屬性可能隨時間發生變化，可以從排斥力變成類似重力的吸引力，使宇宙停止膨脹，進而使星系開始聚集到一起。繼而按照大反彈理論，在這兩種情況下宇宙都將崩塌直到其密度達到理論允許的最高密度，然後發生反彈。

　
去年十一月份，宇宙學家榮格•彭羅斯與瓦赫•古爾扎江聲稱觀察到了大爆炸前劇烈碰撞產生的「回聲」，它們在早期宇宙殘存的輻射中以圓形圖案存在。
　　宇宙微波背景輻射（CMB）存在於整個宇宙，被認為是初始大爆炸之後遺留下來的，到現在大約還殘留著3K左右的熱輻射，是大爆炸理論的有力支持之一。然而，彭羅斯和古薩德揚發現了背景輻射中存在的一種同心圓環結構，在這一結構中溫度的變化遠低於理論值，而且它們並不像表面展現的那樣隨機。更重要的是，彭羅斯解釋，根據計算這種圓環結構必定產生於大爆炸發生之前。然而，對相同數據的兩項新分析斷定那些圓圈沒有特殊意義，這兩項分析第一次發表在同行評議的期刊上。

「我們在宇宙微波背景數據中沒有發現任何異常。」奧斯陸大學的天體物理學家因根•威胡絲說，她們的論文發表在5月9日的《天體物理學報通訊》中。對於分析結果的差異，她表示：「我們採取了正確的方法，但他們沒有。」

該理論的原始聲明是由牛津大學的理論物理學家榮格•彭羅斯和埃里溫州立大學埃里溫物理研究所的瓦赫•古爾扎江發出的，他們的研究成果發表在arXiv.org（康奈爾大學門下的具大論文庫，涵蓋物理學、數學、生物學和計算機科學等）上並在傳媒界產生了一些轟動（它還是有線科學2010年度最重要科學突破之一）。

彭羅斯支持宇宙在大爆炸前已經存在的說法，並認為它已經經歷了無數次爆炸循環。作為這種奇特理論的證據，他和古爾扎江指出了在宇宙嬰兒照，即宇宙微波背景中奇怪的同心圓。宇宙微波背景展示了一個從各個方向觀察都幾乎相同的宇宙，同時平均溫度差不多都為3開爾文。

但是有一些點的溫度與其他部分不同。這些波動最終產生了組成星系及其他宇宙結構的物質團。彭羅斯和古爾扎江指出，它們並不像表面展現的那樣隨機。同心圓與相鄰部分的溫度不同，而對宇宙微波背景輻射的統計顯示，這些同心圓的溫度小於平均值。

彭羅斯說，這些圓圈是前大爆炸活動的切實證據。他表示圓圈是由前大爆炸時代的超級黑洞碰撞產生的，碰撞還爆發出了巨大的能量。爆發會在均勻球形引力波中向外輻射，當它們進入我們的時代時會在宇宙微波背景上留下圓圈痕跡。

「因為提出了這個觀點，他們得到了很多媒體的關注。人人都在談論它。」威胡絲說，「這個觀點有些詭異，但從沒人注意到。要檢驗它是件很容易的事。既然還沒人進行此工作，我們就決定嘗試一下。」

威胡絲和奧斯陸大學的物理學家漢斯•埃裡克森用美國宇航局威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）的數據重新做了彭羅斯的分析。另一個來自哥倫比亞大學的獨立研究組由亞當•莫斯領導，他們也進行了相似的分析，結果發表在4月26日的《宇宙和天體粒子物理期刊》上。

令他們驚訝的是，兩個小組都看見了彭羅斯所說的圓圈。它們確實存在。

但接著，持懷疑態度的研究者們對宇宙微波背景進行了數千次隨機仿真，仿真建立在當前公認的標準宇宙模型下。結果顯示圓圈仍然存在，數量也沒有變化。

「在所有仿真中我們都找到了那些圓圈，所以它們只是標準模型的一種特徵。」威胡絲說，「它並不是新物理理論的標誌。」

莫斯和同事們甚至在宇宙微波背景中找到了同心等邊三角形，這種特徵在彭羅斯循環宇宙論中得不到解釋。

「天空中出現低方差圓圈並沒有什麼特別。」莫斯總結道，「如果宇宙微波背景中埋藏有非常早期的信號，那麼我們肯定還沒有找到它們，而我們將繼續尋覓。」

彭羅斯和古爾扎江也把他們的結果與仿真進行了對比，但威胡絲和莫斯強調彭羅斯等人的仿真基於錯誤的條件。威胡絲和莫斯假定宇宙微波背景的平均變化是受標準宇宙模型法則約束的，而彭羅斯的原始論文明顯使用的是白噪聲。甚至4月29日發表在arXiv上的論文更新版本也沒有切中要害，威胡絲說。

「無論如何他們都搞砸了仿真。」威胡絲說，「他們的仿真方法是錯誤的。」

但這並不表明循環宇宙理論是錯誤的，她補充說道。

「我們並沒有推翻彭羅斯循環宇宙的想法。」她說，「我們只是說沒有證據。」

彭羅斯仍在堅持他的理論。在最近的論文中，他在WMAP數據和仿真天空中尋找到三個以上同心圓的集合。仿真天空的圖案和顏色看上去是隨機的，但真實天空的情況卻並非如此。

「這樣的圖案符合循環宇宙理論，但很難和標準膨脹觀點下的溫度變化來源保持一致。」彭羅斯在給連線的郵件中寫道，「我認為埃裡克斯和威胡絲可能僅僅倉促地閱讀了我們的部分論文，顯然沒有明白我們的工作。」

「我認為在此方面還會有更多的爭論產生，但我們也許忽略了最重要的部分。」他補充道，「不過對我來說這是應該引起高度重視的。」

　　儘管這個發現在當年引起了宇宙學界不小的關注，但爭議始終存在。持懷疑態度的研究者們對宇宙微波背景進行了數千次隨機仿真，仿真建立在當前公認的標準宇宙模型下。結果顯示圓圈仍然存在，數量也沒有變化。因此，它們被認為只是標準模型的一種特徵，而這種特徵在彭羅斯循環宇宙論中得不到解釋。