從大爆炸到大反彈

06-16

我們的宇宙有可能是在前一個宇宙崩塌之後出現的這一觀念，自2003年以來一直令物理學家們非常著迷。現在這一理論已經能夠提供我們可以加以實驗驗證的預言了。如果真的得到驗證的話，大爆炸將被大反彈取代，而我們將終於能夠理解時空的量子結構。宇宙源自一個有無窮密度的點的觀念，將被反覆循環的宇宙觀所取代，宇宙有可能經歷無窮無盡的擴展與收縮，無始無終。

如果我們的宇宙不是從無而生，而是一個以前存在的宇宙的再生版本的話，會怎麼樣呢？請看 Anil Ananthaswamy的調查：

ABHAY ASHTEKAR一直記得他第一次看到宇宙反彈時的反應。「我大吃一驚。」他如此描述道。當時他正注視著一個宇宙反向運行到大爆炸的模擬。基本上，模擬宇宙表現出預期的行為，隨著星系的會聚宇宙變得越來越小，密度越來越大。但是，這個宇宙沒有到達大爆炸的「奇點」，而是發生了反彈並重新開始擴展。這究竟是什麼回事？

Ashtekar希望確認他看到的東西，於是他邀請他的同事們共同討論這個結果足有六個月，最後在2006年發表了這個結果。循環宇宙基於一個叫做圈量子宇宙學（LQC）的理論，那能夠闡明宇宙誕生時的情形——那些東西甚至連愛因斯坦的廣義相對論也無能為力。

LQC實際上是另一個叫做圈量子引力的理論的第一個實際應用，圈量子引力理論巧妙地結合了愛因斯坦的引力理論和量子力學。我們需要這樣的理論來解答當微小體積經歷極端重力時會怎麼樣的問題，例如，接近大爆炸時的情形。在20世紀80年代中期Ashtekar在量子力學框架下重寫了廣義相對論方程式。和理論物理學家Lee Smolin與Carlo Rovelli一起，Ashtekar展示了由重力場線的迴路編織成的空間-時間結構。在縮小足夠多倍數以後空間看上去是平滑而連續的，而湊近觀察的話會發現空間表現為一個個獨立的塊，或者說是量子，大概是10-35平方米大小。

2000年，當時在賓夕法尼亞州立大學柏克校園跟Ashtekar做博士後的Martin Bojowald採用圈量子重力理論建立了宇宙的一個簡化模型。LQC從此誕生了。

Bojowald的重要成就在於：不同於廣義相對論，LQC對物理過程的描述不會在大爆炸那一點失效。「愛因斯坦的相對論沒能成功闡明宇宙誕生之時的情形。」

宇宙學者們畏懼奇點是因為那一點中存在無窮的引力，還有無窮的溫度和密度。而廣義相對論的方程並不能處理這些無窮大的量，因而無法對大爆炸中發生了什麼加以闡釋。Bojowald最初的工作展示了如何避免那個討厭的奇點，雖然僅僅是數學技巧上的避免。「當時那項工作給我印象很深，」Ashtekar說，「現在仍然印象深刻。」

波蘭華沙大學的Jerzy Lewandowski，還有Bojowald，和Ashtekar及他的兩個博士後：Parampreet Singh和Tomasz Pawlowski，共同發展了這個思想。Singh和Pawlowski開發了基於LQC的宇宙模擬程序，正是在那個模擬中他們看到了宇宙反彈。當他們逆著時間模擬時，無窮密度的大爆炸奇點沒有出現，宇宙停止了崩塌，逆轉了方向（開始膨脹）。大爆炸奇點確實不見了（《物理評論通訊》,96卷,141301頁）。

但是勝利的慶典沒能持續多久。研究小組使用LQC研究我們的宇宙在膨脹開始之後的長期行為時，他們遭到了打擊——模擬的宇宙開始崩塌，這簡直是在挑戰我們所知的關於宇宙的一切。「那完全違背廣義相對論，」現供職於加拿大渥太華Perimeter理論物理研究所的Singh說：「明顯是個錯誤。」

Ashtekar也很難受，他說：「我相當失望，這對LQC可不是個好兆頭。」然後，在進一步地改進數學方法之後，Ashtekar, Singh和Pawlowski解決了這個問題。理論的早期版本通過面積的量子項描述宇宙的演化，但仔細的研究發現了微妙的錯誤。Ashtekar, Singh和Pawlowski改正了錯誤，改進後的計算能夠對微小的空間體積進行有效處理。

根本性的不同就此出現。現在基於LQC的宇宙模型能夠在充分膨脹的情況下與廣義相對論極好地符合，同時仍然消除了大爆炸的奇點問題。法國馬賽地中海大學（Mediterranean）的Rovelli對此印象深刻。他說：「這可真是樁大事，每個人都期望某一天我們能學會正確地處理量子宇宙的問題，不再受大爆炸奇點的困擾。但以前我們從來沒有能夠達到這一程度。」

德國科隆大學的物理學家Claus Kiefer也同意這一觀點，他在這個領域中著述頗豐。他說：「這的確是一個認識早期宇宙的新觀念，現在，你有了一個能夠自然地解釋無奇點宇宙的理論。」他還指出：與量子宇宙論相競爭的理論還有一些，比如弦論等理論都提供了獨特的宇宙學認識，但這些理論中還沒有一個能完全與量子力學相融合。

如果最終證明LQC正確的話，我們的宇宙就來自一個此前存在的宇宙，那個先在宇宙也曾經擴展，然後在引力的作用下收縮。隨著所有的物質擠壓到微小的體積中，那個宇宙達到了普朗克密度，5.1×1096千克每立方米。在這個階段，那個宇宙停止收縮，開始反彈，產生了我們的宇宙。

Singh說：「只能接近普朗克密度，理論顯示達到那個密度是不可能的。」Bojowald指出，這是因為當萬億顆恆星的物質被壓縮到一個質子大小的體積中時，那樣的密度下時空結構會產生出超強的排斥力。在這一時刻，時空量子不可能被進一步壓實了。壓實的時空在強於引力的外向力的作用下發生變化。這個瞬時的排斥行為引起了宇宙的反彈。從那一刻開始，因為大反彈的慣性宇宙將持續膨脹。除了引力，沒有什麼東西能讓這個膨脹減速。

LQC還闡明了我們的宇宙的另一個神秘階段。在經典宇宙學中，大爆炸後的最初的若干分之一秒之內有一個叫做暴漲的現象，這一階段宇宙以難以置信的速度擴展。這個暴漲階段需要解釋為什麼在熱還沒有足夠的時間傳播那麼遠時，宇宙中相距遙遠的區域的溫度就幾乎是相同的——即「水平問題」（horizon problem）。LQC也解釋了為什麼宇宙能在永遠擴展和最終因引力而收縮之間擁有如此微妙的平衡——即「平穩問題」（flatness problem）。經典學說中宇宙學家們引入「暴漲子」（inflaton）來令暴漲現象發生，不過我們所知道的有關這種粒子的信息可是非常的少（譯者註：少到我們沒有太多理由相信這種粒子存在）。宇宙的回憶

更重要的，知道的也更少的是暴漲之前的宇宙。宇宙學家們一直假設在暴漲開始時，可以將時空視為平滑的而忽略量子效應，這樣就能應用廣義相對論來研究了。這一直被視為一個科學的猜想–直到現在。LQC顯示：在暴漲開始的時候，時空的確可以被視為平滑的。Singh說「這不再是一個猜想了，這是圈量子宇宙學的一個預言。」

Ashtekar, Singh, Bojoald和Pawlowski 共同發展的模型展現了巨大的進步。這是第一次有一個理論在有效地預言暴漲之前的宇宙情況的同時，能夠正確地預言暴漲之後的宇宙情況。Ashtekar說：「同時做到這些事情一直是很困難的。」

如果我們居住的這個宇宙來自於一個先在宇宙的話，我們能知道那個在我們之前存在的宇宙的什麼東西嗎？LQC模擬顯示那個宇宙也應該擁有星球和星系。但是有關大反彈前後的量子階段的認識存在分歧，就是那個因為量子波動而無法約束住宇宙體積的那個階段。Bojowald的計算顯示有關前一個宇宙的所有信息在經歷大反彈後都被徹底抹去了。換句話說，「宇宙的回憶」是不存在的（《自然物理》，卷3，523頁）。與此相對, Singh和墨西哥國立自治大學的Alejandro Corichi的詳細分析提出了相反的意見。（《物理評論通訊》，卷100，161302頁）「現在宇宙被壓縮到了一個用顯微鏡才能看見的體積。」

Ashtekar把他從前的博士後以及學生們之間的這個爭論比作小孩們的爭吵。他說「這個爭論現在沒有太大意義，儘管宇宙是否可能存在『宇宙的回憶』這一問題引發了哲學上的興趣，但現在討論這個問題還為時太早。我們應該操心的是如何將理論與現在的實驗相對照。」

與實驗對照來驗證理論的日子可能很近了。研究者們的第一個目標是宇宙微波輻射背景（CMB），這一輻射是在宇宙的量子階段結束很久後才放射出來的。儘管CMB開始於大爆炸後370,000年，但其源起可能會更早，Bojowald說：「那有可能處於量子引力效應仍然扮演一個重要角色的時期。」

Bojowald發現按照LQC理論，量力引力效應的影響可能在宇宙暴漲開始之前的一個很短的加速擴張時期處於控制地位。那個被稱為「超級暴漲」的時期，由高密度量子宇宙的極大的排斥力引起，而無需藉助」暴漲子」來解釋。這個階段對CMB的細節具體有何影響尚不清楚，但是已經能夠肯定：LQC的預言和經典宇宙學的預言有所不同。Singh說：「這正是我們接下來兩年將要做的事。我們將努力得出一些經得住考驗的預言。」

同時，英國諾丁漢大學的Ed Copeland和他的同事們展示了他們的研究：超級暴漲階段在時空結構中引起量子波動，這最終可能成為了星系和星系團形成的種子。這意味著僅由超級暴漲就可以解釋我們的宇宙，而不必認為暴漲階段存在，而這個不必要的暴漲階段一直只是硬加在標準宇宙理論上的一個附件而已。不過現在，超級暴漲的理論還很不成熟，它還不能解決暴漲理論很好地解決了的「水平問題」和「平穩問題」。

Copeland說將來的實驗可以揭示我們的宇宙是經歷了「暴漲」還是「超級暴漲」階段，只有經過暴漲階段才可能形成一種特別的引力波型，可以嘗試尋找這種引力波型來驗證理論。這些暴漲階段形成的時空結構中的波紋可能極化了CMB，不過這些影響對現有的探測儀器來說還太微弱了。但情況在明年就將有所改善，歐洲航天局的「普朗克」衛星那時將提供微波背景的最細緻的觀測結果。Copeland的工作顯示：超級暴漲將抑制宇宙尺度的引力波的形成，在CMB中應該沒有暴漲理論所預言的極化現象。他說：「如果真的探測到了那樣的極化現象，那很可能是反對LQC的有力實驗證據。」

Kiefer提醒說：所有的LQC都有一個相同的大問題。經典宇宙學的預言來自對廣義相對論方程的求解，儘管對宇宙作了一些簡化假定。理想的LQC也應該來自於圈量子理論，即它的所有方程都應當由圈量子引力理論推得。但是，Bojowald和其它研究者都採用廣義相對論的理想化宇宙，將其用圈量子引力方法量子化後就得到LQC。Kiefer說：「從一個物理學家的觀點來看，這是完全正當的，但數學家們可能不會喜歡這種做法。」

Rovelli同意這一觀點。為了給LQC更堅實的理論基礎，他和他的同事Francesca Vidotto一直努力在圈量子引力的基礎上重建LQC。（www.arxiv.org/abs/0805.4585v1）Rovelli說：「結論是十分樂觀的。從遠比廣義相對論更接近圈量子引力理論的一些基礎出發，我們可以重新推得現在LQC的方程。」

理所當然地，Rovelli正在期待可能證明這個理論的實驗。他說：「我希望在我死掉以前知道圈量子引力理論是正確的還是錯誤的。」對一個現在剛過五十的人來說，他可能太過悲觀了。一系列的實驗將觀測CMB和探測引力波，普朗克號衛星只是一個開始。我們的宇宙是如何誕生的？有關於此的觀念革命可能將來得比他想像的更早。我們的宇宙會反彈嗎？

依據理論物理學家Abhay Ashtekar等描述大反彈物理圖像的公式，我們的宇宙在前一個宇宙崩塌後成長起來。同樣的命運在等待著我們嗎？

這得看情況。我們過去通常認為宇宙的星球和其它物質的引力起著決定作用。要麼宇宙的密度足夠大，引力能夠讓大爆炸以來的膨脹停止並把所有的東西拉回一點，要麼宇宙的密度不足，永遠地膨脹下去。但是過去10年里對遙遠的超新星的觀測結果對這種觀點形成了挑戰。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」。那麼如果我們的宇宙將不再收縮，它是否已經進行了它的最後一次反彈呢？

大概不是。宇宙學家們對暗能量仍然所知甚少。一些理論模型推測暗能量的屬性可能隨時間變化，可以從排斥力變成類似重力這樣的吸引力。如果那樣的情況發生的話，宇宙將停止膨脹，星系將開始聚集到一起。我們這個宇宙的物質和能量的密度到底是多少也還頂著一個問號，我們還沒能對此進行足夠準確的測量，也就不能由此確認我們的宇宙最終是否將停止膨脹。如果真正的密度比我們現在觀測到的稍大一點點，可能就正巧足夠宇宙由膨脹轉為收縮。

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。在這一點上，宇宙將反彈然後再次膨脹——最終形成了循環的宇宙。