宇宙诞生前到底什么样?

大爆炸理论认为,甚至在更早的时候,在某个时刻,整个宇宙(包括所有的恒星、所有的星系、所有的东西)只有桃子那么大,温度超过1万亿度。

新浪科技新闻,北京时间5月6日,据国外媒体报道,在过去的几十年里,物理学家告诉我们,起初宇宙处于无限密度和温度的状态,可以想象为一个无限致密的球体。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。

但是最近,新的理论物理研究发现了一个可能的窗口,可以看到非常早期的宇宙,并指出这个时期可能并不“非常早”。相反,这可能只是最新“爆炸-反弹”周期的一部分。这个循环至少发生过一次,可能会永远持续下去。

当然,在物理学家决定放弃大爆炸并选择“大爆炸-反弹”周期之前,这些理论预测需要大量的观察和测试。

大爆炸理论

科学家们已经对早期宇宙有了很好的理解,这就是我们熟悉并广泛接受的大爆炸理论。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,构成今天我们所有人的所有元素都是在大约12分钟内形成的。

大爆炸理论认为,甚至在更早的时候,在某个时刻,整个宇宙(包括所有的恒星、所有的星系、所有的东西)只有桃子那么大,温度超过1万亿度。

令人惊讶的是,到目前为止所有的观察都证实了这个奇妙的故事。天文学家做了各种各样的工作,从观察年轻宇宙留下的电磁辐射到测量最轻元素的丰度,发现它们都符合大爆炸理论的预测。据我们所知,这是早期宇宙最准确的写照。

尽管如此,我们知道大爆炸理论的框架是不完整的——缺少一块拼图,而这块拼图是宇宙本身最早的时刻。

这是宇宙中最大的难题之一。

火宇宙

问题是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的时刻。当我们试图推进宇宙的第一个瞬间时,数学变得越来越困难,直到它不能被应用。

物理学家尚未探索的一个重要问题是大爆炸开始时的“奇点”,即密度无限的点。从表面上看,这告诉我们,在某个时刻,宇宙被塞进一个体积无限小、密度无限大的点。这显然是荒谬的。它真正的意思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。

为了解决这个难题,我们需要一些新的物理工具,一些可以在超高能下处理重力和其他力的东西。这正是弦理论所提倡的。它可以作为一个物理模型,能够在超高能量下处理重力和其他力。换句话说,弦理论声称可以解释宇宙的最初时刻。

弦理论最早的概念之一是“ekpyrotic宇宙”,它来自希腊语,意思是“火”。在这个概念下,我们对大爆炸的了解是由它之前的其他事件引发的——大爆炸不是开始,而是更大过程的一部分。

在“火宇宙”概念扩展之后,一个受弦理论启发的理论,即循环宇宙,诞生了。从技术上来说,宇宙不断循环的概念已经有几千年的历史了,比物理学还要早,但是弦理论已经为这个想法奠定了坚实的数学基础。正如人们通常想象的那样,这个“循环宇宙”不断在大爆炸和大紧缩之间反弹,这可能是回到过去的永恒,也可能是进入未来的永恒。

根据大反弹的理论,每个周期都从一个平滑的小宇宙开始,但它不可能像奇点一样小。此后,小宇宙逐渐扩大,变得越来越大,变得越来越扭曲,并在达到一定程度后开始崩溃。与此同时,它变得越来越平滑,最终减小到其初始体积。然后,相同的循环重新开始。

在开始之前

“圆形宇宙”理论听起来很酷,但是早期的数学模型很难与观测结果相匹配。当我们真正尝试做科学研究时,这是一个非常重要的问题。

主要障碍是如何匹配宇宙微波背景的观测结果。宇宙微波背景是宇宙诞生38万年后遗留下来的热辐射,被称为“宇宙中最古老的光”。虽然我们不能直接观察宇宙微波背景之前的一切,但如果我们想从理论上修复早期宇宙的物理学,这些“角落”模式就会受到影响。

因此,圆形宇宙似乎是一个简洁但不正确的概念。然而,多年来,科学家们一直携带着“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·勃兰登堡(Robert Brandenberger)等研究人员探索了这一理论的数学困难,并发现了一些以前没有注意到的因素。他们发现,在“反弹”的时刻,即当宇宙收缩到一个非常小的点并返回到大爆炸状态时,理论预测可以与观测试验的结果相一致。

换句话说,尽管这个关键时期的物理学非常复杂(理解仍然有限),但它确实允许我们对宇宙的时间和位置进行根本性的修正。当然,为了全面测试这个模型,我们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”将是一个悬而未决的问题。

原标题:大爆炸前发生了什么?

标题:宇宙诞生前到底什么样?

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