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宇宙起源于大爆炸,那么大爆炸之前是什么呢?诺奖得主给出答案!

 科学知更鸟 2022-10-19 发布于河南

英国著名广播剧作家道格拉斯·亚当斯在其科幻小说《银河系漫游指南》中,描写了这样一个桥段:老鼠建造了一部超级电脑,名字叫做深思。老鼠们问这台超级电脑:生命、宇宙和万物的终极答案到底是什么?

在经过了整整750万年的连续计算之后,超级电脑深思给出的回答是:生命、宇宙和万物的终极答案是:42。

平平无奇的42,在自然数中都排不上号,为何却能成为整个宇宙万物的终极答案呢?所以,对于超级电脑深思给出的回答,几乎所有读者都感到匪夷所思。

与这个问题类似的还有一个命题,它同样深奥无比,但给出答案的人却是一个绝对的专业人士。

我们都知道,奇点是整个宇宙的起点,是宇宙大爆炸之前宇宙存在的一种形式。奇点这个概念非常著名但又极其难以解释,目前,物理学中没有任何一个分支能够解释它的行为。不仅爱因斯坦的广义相对论在如此微小的尺度上无法解释,而且在无限密度下的粒子物理也超出了标准量子物理模型的理解范围。

那么奇点到底是什么呢?我们只知道,奇点具有一系列奇异的性质,比如无限大的物质密度、无限弯曲的时空和无限趋近于0的熵值等。

上世纪七十年代,英国理论物理学家斯蒂芬·威廉·霍金等人提出了“奇点定理”,他们证明,当把广义相对论应用于宇宙学时,就必然会出现“奇点”。不仅大尺度宇宙会出现“奇点”,而且超大质量的恒星濒死时的引力塌缩的最终结局也是“奇点”(此“奇点”实际上是黑洞,但它与奇点的特性相似)。

根据“宇宙大爆炸理论”的观点,在138亿年前,一个体积无限小、密度无限大、温度无限高、时空曲率无限大的奇点发生了大爆炸,由此产生了整个宇宙,产生了宇宙中的一切物质、时间和空间。

“宇宙大爆炸理论”提出后,在之后的几十年里逐渐占据了物理学界的主流,发展到今天已广为人们所知,几乎成为了宇宙起源的唯一解释。

不过,“宇宙大爆炸理论”有一个明显的缺陷:它没有解释清楚在大爆炸之前到底是什么、有什么?

如果说因为大爆炸才产生了宇宙、时间和空间,那么大爆炸之前难道仅仅只有奇点吗?而奇点又是怎么来的呢?

尤其是对于我们普通人来说,我们无法想象一个没有物质、时间和空间的世界是什么样子的。爱因斯坦告诉人们,时间和空间是人们认识的错觉,因为世间万物一直在变化,所以我们才能感受到时间和空间。

好吧,既然时间和空间是人们主观想象出来的东西,那么我们就姑且忽略掉它们。然而,爱因斯坦仍然没有给出我们想要的答案,即宇宙大爆炸之前到底是什么。

在爱因斯坦去世55年后,英国数学物理学家、牛津大学数学系名誉教授、2020年诺贝尔物理学奖获得者罗杰·彭罗斯给出了一种解释:宇宙大爆炸之前是上一个宇宙大爆炸。

2010年,彭罗斯在他出版的新书《宇宙的轮回:宇宙的非凡新观点》中首次系统回答了这个问题,并提出了共形循环宇宙学的理论。

那么,什么是共形循环宇宙呢?这恐怕还要从“宇宙大爆炸理论”说起。

上世纪七十年代,彭罗斯和霍金一起证明了奇点定理,但是在大爆炸之前,也就是奇点的前面,又是什么样子呢?彭罗斯通过共形映射将宇宙的开始和终结联系起来,他认为,宇宙的终结实际上也是下一次宇宙大爆炸的开始。人类目前所处的宇宙,就是在大爆炸—膨胀—大爆炸—膨胀之中无限循环着。

当宇宙从一个奇点爆炸开始之后,它就会进入极为漫长的膨胀期。当膨胀到极限之后,所有的粒子由于相互作用力减弱,使得基本粒子也慢慢分离,最终整个宇宙变成纯能量的状态,这时通过黑洞蒸发效应,移除宇宙中的熵。等到蒸发完毕之后,也就意味着熵的归零。

与此同时,整个宇宙处于高度一致的状态,也就是所有物质都位于同一个点上,也就是奇点。接下来,又是新一轮的宇宙大爆炸。

这种大爆炸—膨胀—大爆炸—膨胀的无限循环,就相当于纯能量——能量和物质的混合态——纯能量——能量和物质的混合态的无限循环,看上去非常简洁优美。

尽管彭罗斯的共形循环宇宙学完美回答了“大爆炸之前是什么”这个极为深奥的命题,但是任何一种理论或学说都需要实践或观测的检验。

在提出这一理论后,彭罗斯经过漫长的观测和研究,他发现,在宇宙微波背景中,至少已经发现了6个霍金点。这些大概直径只有8个月亮直径大小的、温度略高于周围环境的圆形斑点,就是上一个宇宙中超大质量黑洞蒸发后留下的斑痕,也是在本次宇宙大爆炸的早期膨胀中形成的。

不过,对于霍金点的发现,有些科学家并不买账,因为他们在对宇宙微波背景的观测中并未发现有什么特别的热点,所谓的霍金点也许根本就不存在。

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