14.大爆炸之前

定 义：近期的一些理论为大爆炸理论提供了可能的解释，或者将其放到了更大的背景下。

发现历史： 1986年，安德烈·林德（Andrei Linde）提出了混沌暴胀理论。

关键突破：欧空局下属的普朗克卫星可以收集到能够证实或证伪一些理论的数据。

重要意义：探寻大爆炸前宇宙的状态或许有助于揭开大爆炸理论中一些著名的问题。

“循环宇宙理论认为大爆炸就是由膜之间相隔数万亿年的碰撞触发的。”

 

关于大爆炸为何发生的问题很容易被忽视：大爆炸创造了时间与空间，故而一些人认为探索大爆炸前的事情是无意义的。这并没有阻止宇宙学家们的思考，至少他们提出的一部分想法也许能被检验了。

对于大爆炸理论的复杂模型，量子物理给我们设置了向前追溯的极限。在宇宙诞生后的10~43秒，原初火球是一个致密且极小的奇点——其尺度小于普朗克长度。普朗克长度是自然界的基本常数，若低于该长度，现有的物理定律会失效。

因此，大爆炸理论无法描述初始奇点的状态，更无法讨论“大爆炸之前”发生的任何事情。关于大爆炸的科学表述通常认为，宇宙从不存在时间与空间等概念的原始真空中自发产生，最有可能是量子涨落的结果。然而自20世纪80年代以来，人们为了回避奇点问题发展出了三种相互对立的理论，这些理论从大爆炸前发生的一个复杂而传统的激发事件中，创造了一个炽热而致密且快速膨胀的“婴儿宇宙”。

暴胀宇宙

第一种企图回避奇点理论的思想来自于暴胀。暴胀理论认为，也许由于某些基本力互相分离的过程的驱动，原初宇宙的一小部分在大爆炸刚刚发生后经历了极速增长，这一时期宇宙膨胀得如此庞大，我们如今整个可观测的宇宙仅仅是原初宇宙的一小部分。

1981年，麻省理工学院的阿兰·古斯（Alan Guth）首次提出暴胀理论，以解释如今宇宙中物质分布为何会相对光滑：暴胀放大了先前有起伏的宇宙的一部分，形成了如今我们可观测的宇宙，故而这部分宇宙变得平滑了（译注：例如在起伏的湖面上，我们只选取一小部分区域并且拉长这一区域，而忽略掉其他部分，那么这一小部分水面看起来就是很平的）。宇宙微波背景辐射中发现的微小起伏（CMBR）就是暴胀过程中被放大的量子尺度涨落。

虽然暴胀帮助我们理解了宇宙大尺度的许多观测性质，并且已经被当作标准大爆炸理论的一部分，但是此理论也产生了一些明显的问题。早在1986年，俄裔美籍物理学家安德烈·林德就指出了其中一个最为严重的问题：由于暴胀的结束时间受到量子尺度扰动的影响，一些区域在其他区域停止暴胀后仍然会继续极速膨胀，这部分宇宙就会很快地冲出原本已经结束暴胀的区域。故在历经额外暴胀的区域里，其中的一部分会继续暴胀，而其余部分则结束暴胀，如此循环。这一结果就是林德所谓的“混沌暴胀”——吹泡泡似的创造了一连串宇宙，每一个宇宙都有与众不同的结构和物理规律。

混沌暴胀的一个副作用是许多“泡泡宇宙”会由于支配它们的物理规律以及基本常数是不当的组合，而在很早期就消亡。我们的宇宙由于拥有正确的组合故而能“生根发芽”，所以如今“泡泡宇宙”的数目与最早相比已经变得较为有限。对于一些宇宙学家来说，混沌暴胀的出现对暴胀理论能否作为一个科学理论提出了挑战——如果暴胀产生了无穷多不同的宇宙，我们宇宙的产生以及为何有如此物理规律的答案变得不再深刻（译注：因为如果有无穷多的各式的宇宙，那么我们的宇宙只是恰好是这样而已）。

一些宇宙学家却完全接受了混沌暴胀的思想，因为如果我们的宇宙具有这样的来源，宇宙起源就不必却追溯至一个奇点，那么宇宙是永恒无穷的观念就能够被重新认可了。与之相反，另一些人对暴胀的合理性产生了严重的怀疑，从哲学的角度出发，暴胀也许需要一些特定的条件才能发生。故而，我们的宇宙更像是因为凑巧而具有了当前的性质。

震荡宇宙

另一些思想的源头可以追溯至苏联宇宙学家亚历山大·弗里德曼（20世纪20年代，弗里德曼在宇宙膨胀被观测发现之前就进行了预言）。弗里德曼主张一种“震荡宇宙”，即大爆炸开始于上一个宇宙的坍塌，即所谓的“大挤压”。如今的圈量子宇宙学（loop quantum cosmology，简称LQC）理论与弗里德曼的观点非常相似。圈量子宇宙学基于的圈量子引力理论，是许多试图将引力与宇宙中其他基本力统一起来的理论之一）。

在圈量子宇宙学模型中，时空自身是量子化的——由微小的一维单元形成的“子结构”组成，其他物质在这些子结构中运动。这允许宇宙通过子结构的膨胀而扩张，同时可以通过子结构的收缩而收缩，而不必在意其中的物质成分（宇宙命运模型的传统限制）。当每个量子化子结构中物质的密度达到一个临界值后，时空就会反弹，然后开始新的震荡。

根据理论物理中所谓的“M理论”，我们的宇宙存在于一个高维空间中的一个四维膜上，与其他的四维膜分开（1）；大爆炸可能就是由这些膜之间的碰撞产生（2）；当膜之间又分开，我们宇宙又会变得平坦（3）；然后膜之间又会再一次碰撞（4），循环往复。

当膜相撞

20世纪90年代以来，另一种被称为“循环宇宙”的理论被提出，这种理论由被称为“万有理论”的弦理论发展而来。弦理论要求时空具有一些不可见的额外维度。根据诸如来自加拿大圆周率研究所的尼尔·图罗克（Neil Turok）和普林斯顿的保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）等宇宙学家的说法，我们的宇宙可能是时空中一个四维的“膜”，与其他类似的“膜”宇宙在更高维度上靠得很近，但无法跨越。循环宇宙理论认为大爆炸就是由膜之间相隔数万亿年的碰撞触发的。这为我们提供了另一种解释宇宙平坦性的办法，而不需要引入暴胀。

这一观念看起来很玄妙，但是其中一些理论能够通过宇宙微波背景辐射的精确测量得到检验。在混沌暴胀理论中可能产生其他“泡泡宇宙”延伸到我们宇宙中的信号。此外，传统的暴胀理论和“循环宇宙”理论都预言了相变阶段会产生强烈的引力波信号，这将在宇宙微波背景辐射上留下印记。宇宙学家们希望借由诸如欧空局于2009年发射的普朗克卫星等正在进行的项目以及未来的宇宙微波背景辐射观测项目解决这些问题，或者至少排除一些问题选项。

像蟹状星云（Crab Nebula）中心的脉冲星这样的中子星在粒子束中产生大量的电子和正电子，这些粒子以大约一半的光速从脉冲星的磁极中发射出来，形成了这张多波段图像中可见的喷流。