科學也可以如此靠近

如果宇宙始於大爆炸,那麼大爆炸始於?

1月
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2022

2022年1月11日13時

2022年01月11日 10:00

科學報綜合

  1970年,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)發表了一篇著名的論文,他們證明了,如果讓時間一直倒流,那麼宇宙故事的開場將是大爆炸奇點。

  今天,大多數人都聽說過,宇宙始於約138億年前的大爆炸,如果真的是這樣,那麼大爆炸又源於何處呢?

  第一批物質  

  讓我們先看看所謂的物理物質最初是如何產生的。

  如果我們的目標是解釋由原子或分子構成的穩定物質的起源,那麼在大爆炸時確實還沒出現這樣的東西。

  自大爆炸後,宇宙便開始膨脹和冷卻。隨著宇宙不斷地冷卻,一旦條件合適,第一批原子便會從更簡單的粒子中形成,之後這些原子又會在恒星內聚變成更重的元素。我們對這些過程已經有了詳盡地理解,但是這種理解並不能解決宇宙「無中生有」的問題。

  因此,讓我們再往前想想。最早的長壽命的物質粒子是質子和中子,它們共同構成了原子核。這些粒子在宇宙大爆炸後的萬分之一秒左右出現。在那之前,確實沒有任何我們熟悉意義上的物質。

  但物理學可以讓我們繼續順著時間線往回走,追溯到任何穩定物質之前的物理過程。

  大統一時期  ;

  這就把我們帶到了所謂的大統一時期。現在,我們已經進入了推測性物理學的範疇,因為我們還無法在實驗中產生足夠的能量來探測當時發生的那種過程。

  但一種合理的假設是,物理世界是由短壽命的基本粒子場組成的。物質和反物質的量大致相當,每種物質粒子(比如誇克)都有一個反物質的「鏡像」夥伴,它們幾乎相同,只在一個方面有所不同,也就是電荷相反。當物質和反物質相遇時,它們會在能量的閃光中湮滅,這意味著,這些粒子在被不斷創造和毀滅。

  但這些粒子最初又是如何存在的呢?

  量子場論告訴我們,即使是真空,也就是「空無一物」的時空,同樣充滿了能量漲落形式的物理活動。這些漲落可以產生粒子,但它們很快就會消失。這已經在無數實驗中被發現。

  時空真空狀態中的粒子不斷被創造並摧毀,這顯然是某種意義上的「無中生有」。但也許這一切告訴我們的其實是,量子真空是「有物」的,而非空無一物。

  普朗克時期  ;

  假設我們進一步追問,時空本身是從哪裏產生的?那麼我們就可以繼續把時鐘往前撥,回到真正古老的普朗克時期。這是一段在宇宙曆史上早到我們最好的物理理論都會崩塌的時期,只存在於宇宙大爆炸後一萬億分之一的一萬億分之一的一萬億分之一的一千億分之一秒的時間裏。

  在那一刻,空間和時間本身開始受到量子漲落的影響。物理學家通常分別利用量子力學和廣義相對論進行研究,前者統治粒子的微觀世界,後者則適用於巨大的宇宙尺度。但要真正理解普朗克時期,我們需要一個完整的量子引力理論,將兩者合二為一。

  我們仍然沒有一個完美的量子引力理論,但已經有了一些嘗試,比如弦理論和圈量子引力。

  在這些嘗試中,常規空間和時間通常被看作是湧現的,就像深海表面的波浪。我們所體驗到的空間和時間是在更深層次的微觀層面上運行的量子過程的產物,而這些過程對我們這些紮根於宏觀世界的生物來說可能極具顛覆性。

  在普朗克時期,我們對空間和時間的常規理解被打破了,我們也不能繼續依賴我們對因果關系的常規理解。盡管如此,所有候選的量子引力理論都描述了在普朗克時期發生的一些物理現象,也就是常規空間和時間的一些「量子前身」。但那又是怎麼來的呢?

  不幸的是,到目前為止,在我們朝著萬有理論的方向繼續邁進之前,我們最好的物理學仍然無法給出任何明確的答案。

  幾乎從無到有的循環  ;

  為了真正回答「無中生有」的問題,我們需要解釋普朗克時期開始時,整個宇宙的量子狀態。所有試圖做到這一點的嘗試仍舊是高度推測性的。

  彭羅斯提出了一個有趣但富有爭議的模型,被稱為共形循環宇宙學(CCC)。

  彭羅斯的靈感來自一個有趣的數學聯系,也就是宇宙的熾熱、致密、微小的狀態(比如大爆炸時的狀態)和極寒、空曠、膨脹的狀態(比如宇宙遙遠未來的狀態)兩者之間的關聯。

  他解釋這種對應關系的激進理論是,當這些狀態達到極限時,它們在數學上是相同的。雖然這看上去很矛盾,但他認為,完全不存在物質的狀態可能已經設法產生了我們在宇宙中所見的所有物質。

  在這種觀點中,大爆炸產生於(幾乎的)「無」。那是當一個宇宙中的所有物質都被吞噬進黑洞,而黑洞又蒸發成光子時剩下的東西。但無論多麼空曠,它仍然是一個物理宇宙。

  為什麼同一個狀態從一個角度看是一個寒冷空曠的宇宙,而從另一個角度看卻成了一個熾熱致密的宇宙?答案在一個複雜的數學過程中,叫作共形重標度(conformal rescaling),這是一種幾何變換,它實際上改變了一個對象的大小,但使其形狀保持不變。

  彭羅斯展示了,寒冷空曠的狀態和熾熱致密的狀態是如何通過這種重標度而被聯系在一起的,從而使它們在時空的形狀方面相匹配,盡管兩者尺寸各異。誠然,當兩個對象具有不同尺寸時,很難把握它們如何在這種層面上是相同的,但彭羅斯認為,在這種極端的物理環境中,尺寸已經不再是一個有意義的概念。

  在CCC中,解釋的方向是從古老寒冷到年輕熾熱,熾熱致密的狀態的存在是因為寒冷空曠的狀態。但這裏的「因為」並非我們所熟悉的因果,也就是原因在時間上位於其結果之前的那種因果。

  在這些極端狀態下,不僅是大小不再有意義,時間同樣如此。寒冷空曠的狀態和熾熱致密的狀態實際上位於不同的時間線上。從觀察者的角度來看,寒冷空曠的狀態在它自己的時間幾何中將永遠持續下去,但它所產生的熾熱致密的狀態實際上單獨位於一個新的時間線上。

  循環的開始  ;

  CCC對我們宇宙的大爆炸從何而來的問題提供了一些詳細的、但是推測性的答案。但是,即使彭羅斯的設想最終被未來宇宙學的進展所證明,我們可能會認為,我們仍然不會回答一個更深層次的問題,也就是一個關於物理現實本身來自何處的問題,換句話說,整個循環系統是如何形成的?

  對於循環是如何開始的這個更深層次的問題的物理解釋,大致有三種廣泛的選擇:它可能根本就沒有物理解釋;或者,可能有無休止的重複循環,每個循環本身就是一個宇宙,每個宇宙的初始量子狀態由之前宇宙的某些特征來解釋;又或者,可能有一個單一的循環,和一個單一的重複宇宙,這個循環的開始由其自身終結的某些特征來解釋。

  彭羅斯設想了一連串無休止的新循環,部分原因與他自己對量子理論詮釋的偏好有關。在量子力學中,一個物理系統同時存在許多不同的狀態的疊加,當我們測量它時,只能隨機「選取」一個。

  對彭羅斯來說,每個周期都涉及隨機量子事件的不同結果,這意味著每個周期都會與之前和之後的周期有所不同。

  這對實驗物理學家來說其實是個好消息,因為它可能讓我們通過普朗克衛星看到的大爆炸遺留輻射中的微弱痕跡或異常現象,從而窺視產生我們的古老宇宙。

  彭羅斯和他的合作者甚至認為,他們可能已經發現了這些痕跡,將普朗克數據中的模式歸結為前一個宇宙中的超大質量黑洞的輻射。然而,他們聲稱的觀察結果受到了其他物理學家的質疑。至今學界尚無定論。

  無休止的新周期是彭羅斯設想的關鍵。但是,有一種自然的方法可以將CCC從多周期轉換成單周期的形式。那麼物理現實就包括通過大爆炸到遙遠未來的極端空曠狀態的單一循環,然後再循環回到一樣的大爆炸,重新產生一樣的宇宙。

  後一種可能性與量子力學的另一種詮釋相一致,它被稱為多世界詮釋。多世界詮釋告訴我們,每次我們測量一個處於疊加狀態的系統時,這個測量並不是隨機選擇一個狀態。相反,我們看到的測量結果只是一種可能性,在我們自己的宇宙中上演的那一種。其他測量結果都是在多重宇宙中的其他宇宙中發生的,它們與我們的宇宙是隔絕的。因此,無論事情發生的幾率有多小,只要它有一個非零的幾率,就會發生在某個量子平行世界。

  一些人認為,這種多重宇宙也可以在宇宙學的數據中被觀察到,作為另一個宇宙與我們的宇宙相撞時留下的印記。

  雖然彭羅斯並不同意這個想法,但多世界量子理論為CCC提供了一個新的轉折點。我們的大爆炸可能是一個單一的量子多重宇宙的重生,它包含了無限多的宇宙,它們都是一起發生的。一切可能發生的事情都發生了,然後它又一次又一次地發生。

  從有到無,從無到有  ;

  對於科學哲學家來說,彭羅斯的觀點非常迷人。它為解釋大爆炸開辟了新的可能性,使我們的解釋超越了常規的因果。甚至對於神話愛好者來說,彭羅斯的願景同樣非常美麗,它暗含著一種從遠古的灰燼中誕生的無盡新世界的圖景。

  最後一顆恒星將慢慢冷卻並消逝。隨著它的熄滅,宇宙將再次成為一片虛空,沒有光,沒有生命,也沒有意義。

  物理學家布萊恩·考克斯(Brian Cox)在紀錄片《宇宙》中這樣說道。

  而最後一顆恒星的消逝將只是一個漫長的黑暗時代的開始。所有物質最終都會被巨大的黑洞吞噬,而黑洞又會蒸發成最微弱的光輝。空間不斷向外擴張,直到即使是那些微弱的光也變得過於分散,再也無法發生相互作用。活動終將停止。

  宇宙遙遠的未來會是這樣的嗎?而這也是大爆炸的來源嗎?

  我們還沒有答案。

  #創作團隊:

  原文作者:Alastair Wilson(伯明翰大學哲學教授)

  #參考來源:

  #圖片來源:

  文首:Wikiart

  轉載內容僅代表作者觀點

  不代表中科院物理所立場

  來源:原理


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