大爆炸理論遭到挑戰(zhàn)：我們可能生活在一個循環(huán)的宇宙中

2021.05.10

在一個循環(huán)的宇宙中，膨脹和坍縮周期交替，宇宙無始無終。

宇宙誕生的標準故事大致是這樣的：大約140億年前，不知從哪里來的巨大能量物質(zhì)爆炸了。

在短暫的快速爆炸的瞬間，能量的爆發(fā)使宇宙像氣球一樣膨脹起來。膨脹拉直了任何大尺度的曲率，導(dǎo)致了我們現(xiàn)在感覺宇宙是平的。物質(zhì)也完全混合在一起，所以現(xiàn)在的宇宙在很大程度上顯得毫無特征（哪里都一樣）。雖然粒子團塊創(chuàng)造了星系和恒星，但這些只是宇宙畫布上微不足道的斑點。

這個被教科書稱為大爆炸的理論與迄今為止所有的觀測結(jié)果相吻合，也被大多數(shù)宇宙學(xué)家所青睞。但它的概念讓一些人感到不安。在時空的大多數(shù)區(qū)域，快速膨脹永遠不會停止。結(jié)果，膨脹只能產(chǎn)生一個多元宇宙（一個擁有無數(shù)種口袋宇宙的彩色存在），其中一個是我們所生活的宇宙。對批評者來說，大爆炸預(yù)言了一切，也就是說它最終什么也預(yù)言不了。

近年來，斯坦哈特和其他人一直在研究我們的宇宙是如何形成的。他們重新提出了循環(huán)宇宙的概念：即周期性地膨脹和坍縮的宇宙。他們希望復(fù)制我們所看到的宇宙，平坦而光滑。

為此，斯坦哈特和他的合作者最近與專門研究引力計算模型的研究人員進行了合作。他們分析了一個坍縮的宇宙是如何改變其自身結(jié)構(gòu)的，并最終發(fā)現(xiàn)坍縮可以打敗膨脹。無論宇宙在坍縮前看起來多么怪異和扭曲，坍縮會有效地抹去大范圍的原始皺紋。

斯坦福大學(xué)的宇宙學(xué)家萊昂納多·塞納托雷曾用類似的方法分析過爆炸理論，“他們聲稱自己所做的工作非常重要?！彼f，這項工作的某些方面他還沒有機會進行驗證，但乍一看“似乎他們已經(jīng)完成了”。

坍縮視圖！

在過去一年半的時間里，斯坦哈特、德國馬克斯普朗克引力物理研究所的宇宙學(xué)家安娜·伊賈斯和其他人的合作，形成了一種新的關(guān)于循環(huán)的觀點。

當談到可視化的膨脹和坍縮時，人們經(jīng)常關(guān)注一個氣球狀的宇宙，它的大小變化用“比例因子”來描述。但是第二項測量——哈勃半徑，也就是我們能看到的最遠距離——卻沒有得到重視。廣義相對論的方程讓它們獨立地演化，而且，至關(guān)重要的是，你可以通過改變其中任何一個來讓宇宙變平。

想象一只螞蟻在氣球上。膨脹就像給氣球充氣。它把平滑和扁平的狀態(tài)歸因于膨脹的宇宙上。然而，在循環(huán)宇宙中，平滑發(fā)生在坍縮期間。在此期間，宇宙適度地縮小，但真正的原因是視野的急劇縮小。這就好像螞蟻通過一個越來越強大的放大鏡來觀察一切。它所能看到的距離縮小了，因此它的世界變得越來越?jīng)]有特征。

斯坦哈特和他的同伴設(shè)想一個宇宙，在無所不在的場的能量驅(qū)動下，膨脹了大約一萬億年，我們現(xiàn)在將其歸因于暗能量。當這個能量場最終變得稀少時，宇宙開始慢慢地收縮。在數(shù)十億年的時間里，一個不斷縮小的尺度因子會使一切變得更接近，但并不是一直降到某一點。這一戲劇性的變化來自于哈勃半徑，它最終將變得非常微小。宇宙的坍縮給能量場充電，使宇宙升溫并蒸發(fā)原子。反彈隨之而來，周期重新開始。

在周期模型中，微小的哈勃半徑保證了平滑度和平整度。盡管膨脹將許多最初的缺陷吹散到了多元宇宙中，而緩慢的坍縮則將它們從本質(zhì)上擠壓出去。我們留下的宇宙沒有起點，沒有終點，大爆炸時沒有奇點，也沒有多元宇宙。

從任何宇宙到我們的宇宙

大爆炸宇宙論和周期宇宙論面臨的一個挑戰(zhàn)是，無論它們?nèi)绾伍_始，它們各自的能量場都能創(chuàng)造出正確的宇宙。

伊賈斯和斯坦哈特批評爆炸理論只在特殊情況下才發(fā)揮作用，比如當它的能量場形成時沒有明顯的特征，也沒有什么運動。理論家們已經(jīng)對這些情況進行了最徹底的探索，部分原因是它們是唯一能用數(shù)學(xué)來解釋的例子。在最近的計算機模擬中，伊賈斯和斯坦哈特描述了他們的團隊對緩慢坍縮模型進行了測試，測試對象是一系列的嬰兒宇宙，這些宇宙太過瘋狂，無法用筆和紙來分析。

這項合作采用了普林斯頓大學(xué)專門研究廣義相對論計算模型的理論物理學(xué)家弗朗斯·普里托里烏斯開發(fā)的代碼，探索了扭曲、不規(guī)則的場、甚至是生來就有兩部分向相反方向移動的場。幾乎在每一種情況下，坍縮都會迅速產(chǎn)生一個和我們的宇宙一樣無特征的宇宙。

牛津大學(xué)宇宙學(xué)家凱蒂克勞夫也專門研究廣義相對論的數(shù)值解，她稱這些新的模擬“非常全面”。但她也指出，計算技術(shù)的進步只是在最近才使這種分析成為可能。

盡管人們對伊賈斯和斯坦哈特的模型的興趣各不相同，但大多數(shù)宇宙學(xué)家都同意爆炸理論仍然是一個有待突破的范式。

合作將進一步充實周期理論。伊賈斯已經(jīng)有了一個彈跳理論，用物質(zhì)和時空之間的新相互作用來升級廣義相對論，她懷疑還有其他機制存在。她計劃很快把她的模型放在電腦上，以了解它的行為細節(jié)。

該小組希望，在將收縮和坍縮階段結(jié)合在一起后，他們將確定一個周期的宇宙的獨特特征。這項合作并未解決周期性宇宙的每一個細節(jié)，更不用說證明我們生活在一個循環(huán)宇宙中了。但斯坦哈特現(xiàn)在樂觀地認為，這個模型將很快提供一個可行的替代多元宇宙的方法。

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