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寂静的宇宙诞生寂静的宇宙诞生探索者 2014-12-19 12:032014 年 3 月 17 日，新华社发出一条醒目的报道，称美国航空航天局设在南极的 BICEP2 望远镜找到了理论所预言的、在宇宙微波背景上留下的痕迹（指引力波）。按现今流行的宇宙学的大爆炸理论，在宇宙刚出生的10-35秒发生了暴胀，到 10-32 秒时，宇宙空间瞬间扩大了1025倍。理论家说，在暴胀结束时必将产生引力波，这是一种空间的波纹，也是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言。当光子碰上引力波时将产生偏振，而BICEP2探测到的，正是这一偏振的图谱。许多读者都为科技如此神速的进步而惊讶。宇宙诞生的瞬间都能被科学家找到，那么更进一步，我们是否可以探知宇宙从奇点中突然出现的那一幕呢？其实，早在10 多年前，科学家就已经开始探索这一神秘的时刻了。宇宙究竟是如何从一个极密实、极高温的奇点中爆发而出的呢？科学家把时间一直回溯到普朗克时期，即宇宙诞生后 10-43 秒（普朗克时间，在量子论中，这就是时间的最小单元，不能再做分割）的那个瞬间。此时，其物质密度约为5× 1096 千克 /立方米，且存在着所谓的偶尔相互连接区（ CC1 ），线度约为 10-35 米。因为普朗克时期在时间、空间和密度上都处在极限状态，所以 CC1 具有最大的普朗克密度，其质量约为 10-3 千克，即普朗克质量。尽管在普朗克时期多方面均处在极限，但物质的状态发生变化是不可避免的，原始粒子对湮没，就此产生了大爆炸，物质和能量井喷而出。但是科学家还是无法推测这之前的情况，也无法知道空间和时间的本质特征。他们缺少一把钥匙，那就是量子引力理论。按目前建立在相对论基础上的大爆炸理论，时空是一个平滑的、连续的物体。爱因斯坦的理论对恒星、星系尺度上的引力做了很好的描述，但对宇宙初始时的情况，就很难解释得清了。当我们把宇宙的时钟向回拨，将看到物质日益挤紧，引力变得越来越大。 根据相对论， 宇宙产生自一个无限密实的奇点，其空间和时间极限弯曲，以致传统的物理学在这里完全失效。而物质处于如此微小的空间时， 正是量子论用武之地。 因此，欲搞清万物之开始，必须把这两个理论结合起来，产生一个量子引力理论。现在我们来看一下，量子引力理论如何看待宇宙的初生。近年来，在这一方面出现了几种理论，其中最引人注目的，至少有三个完全独立的量子引力理论。它们都认为，宇宙进入存在时是很寂静的，这是一个完全孤立的瞬间，没有任何东西、任何地方是相互连接的。这意味着，没有东西（诸如声音、光或其他信息）能在它们之间通过。这一寂静时刻将告诉我们宇宙原初的奥秘。2012 年，加利福尼亚州立大学的卡立泊收集了所有的量子引力理论版本， 发现了它们的一个共同点： 当宇宙回到高温、密实的原初时刻时，其空间维度是一维或二维。换言之，其几何形态跟现在的完全不一样。寂静时刻表明，那时的空间和时间是分开的，很可能源于原始的量子起伏。按照卡立泊的计算，在宇宙的第一个 10-43 秒时，空间分割成互不相连的块。在一个被称为因果动力学三角的理论中也出现了类似的情景，它所给出的时间和空间的曲率，正是相对论所说的物质和能量引起的曲率。荷兰奈梅亨大学的鲁尔说：“我们希望，我们的模拟能给出宇宙在接近奇点时是如何运行的。”按照因果动力学三角理论，宇宙将以某一种相（共有三种）出现。一种是类似于我们这一种，即不同的区域相互连接，并通过信号或力的传递而相互作用。另一种宇宙是均匀的一块，所有的东西都是彼此的组成部分。第三种类型的空间完全断开，宇宙中的每一块空间都是孤立的。换言之，这是一个寂静的宇宙。这些理论是否可信现在还无法判断，不过，宇宙可能处在这些相中的思想，预示着量子引力含有新的知识。瑞典斯德哥尔摩理论物理研究所的赫塞费特说： “早期宇宙是我们进入量子引力最可靠的大门，研究这些相在早期宇宙中的转变，将使我们了解新生的早期宇宙，进而知悉空间和时间的本质特性。”圈量子引力理论认为空间和时间都是由维和结组成的织物，这种互绕的条纹导致了粒子和力的产生。验证该理论的一个方法，就是通过量子引力宇宙可看到圈量子引力宇宙独有的历史。从中可以看出，在宇宙开始时的高能、高密条件下，维和结是如何运行的。巴劳等人将量子引力宇宙的膨胀往回收缩时，看到光速也慢了下来；当他们把万物压缩到极热、极密态时，量子引力宇宙最终到达一点，光速也变为零。如果光无法运动，就无法通信了，没有力能传递出去，每一个区域的时空之间都是断开的。这是另一种寂静时刻。我们看到，虽然有三种不同的理论，但它们都聚焦于寂静，说明寂静有助于我们了解原初宇宙结构间的关系。在目前的标准大爆炸模型中有一个暴胀期，在量子引力宇宙模型中，它的发生是一种被称为“反弹”的自然结果，而这一时刻先于宇宙进入存在。这似乎很难想象，但量子引力宇宙模型，并不认为我们宇宙的诞生是万物之始。 2006 年，路易斯安那州立大学的辛格等人说，如果把圈量子宇宙的时钟往回拨，你最终将碰到一个时刻，那里的维和结都处在能量超载，能够产生一个斥力，迫使空间翻出并再次开始膨胀。而这一膨胀过程，就是人们据说的大爆炸。如果宇宙含有任何形式的“标量场”（这是一种雾状的东西），对空间的每一点施加力，可以导致一个自然的暴胀。在所有的宇宙学理论中加入“标量场”，可作为各种力（电磁、强、弱和引力）的种子。这个模型会进一步告诉我们暴胀将延续多久。量子引力宇宙预言，暴胀期是我们现在可观测范围的 2 倍，甚至有科学家认为，这个数值可能达到 10 万或 100 亿倍。量子引力宇宙模型有其独特性，其方程允许时间并入空间，也就是说，这个模型中只有四维的空间，而没有时间。对大多数人来说这仅是一个概念，但对巴劳等人来说，这是一个研究方向，是受到肯定的信号。不过，辛格等人对此并不看好。他们认为，寂静时刻仅是人们的一个猜想，那是“十分初始和猜测性的”，并认为“这个结论是十分不成熟的，多半是不真实的”。量子引力学界的科学家说，在我们相对真实宇宙做出确切的测试之前，还有一段相当长的路要走。最好的测试是观测宇宙微波背景中微妙的图像，而来自欧空局的普朗克卫星正刻画出全天最详细的微波图。即使如此，该卫星还不够灵敏，很难重现宇宙创生的量子引力宇宙模型。 巴劳说： “我们正在等待后普朗克的测量。”卡立泊认为，最近BICEP2 绘出的宇宙微波背景辐射图可能探测到有寂静时刻的区域，或者空间维正在消失之中。他说：“这是可信的，存在某种可观测的信号。”不同量子引力模型之间的协作提供了很好的线索，以开拓这个领域。辛格指出，在模拟时空从量子态转变到经典态的时刻，量子引力宇宙和因果动力学三角理论产生了共鸣，给出了一个完全经典的时空。辛格说： “这可能向我们显示， 这个结果反映了关于时空量子特征的一个更深层次的真理。 ”赫塞费特十分重视这个共性， 她说： “每种方法都有其优缺点， 但是，都能从不同的道路把我们引向类似的结论。这是很值得注意的，看起来像是一个焦点，试图告诉我们某些事物。”现在，量子引力理论已经进入了它的成熟阶段，我们将越来越多地看到早期宇宙之谜的解释。这不仅有益于宇宙学的进展，而且对人类思维领域的拓宽，也大有裨益。