宇宙大爆炸之前是什么样子 是什么引爆”奇点“

伤我心太深

我们一般认为，大爆炸是宇宙的开始。但是讲述这个故事，也许要从更久远前，即宇宙诞生之前说起。那么，宇宙大爆炸之前是什么样子呢？

“科学的目的，并不是要打开一扇通往无限智慧的门，而是要防止人们无穷无尽地犯错。”——Bertolt Brecht

作为一名宇宙学家，笔者最常被问到的问题，并不是大爆炸本身。

宇宙大爆炸是个非凡的设想，理应如此，它是基于我们对宇宙的观测结果之上的，今天我们所观测到的宇宙是在膨胀之中，且不断冷却，而在过去，它比今天更热，更稠密，也更小。因此如果倒推宇宙的历史到极其久远的时代，其结果自然会令人兴奋。

过去，宇宙是如此之热，以致于每一个原子都会被辐射所击碎。这同时也意味着会存在这样一个时间点，即宇宙中所有的原子核和电子首次结合成稳定中性原子的时间点。

而在此之前，宇宙是如此之热，以致于所有的原子核会被击碎。由此你可能会认为，这意味着宇宙的温度可以任意高、密度可以无穷大、体积可以任意小。你可能会认为宇宙中的一切都可以追溯到一个奇点，在那里时空已经坍缩，所有的物质和能量都包含在这个温度无穷高、密度无穷大的点中。

确实，这是一件非常让人想去尝试着思考的事，这也是我们大概在 1980 年之前所认为的宇宙演化方式。

但是在物理学上，这是不完整的。（许多优秀的科学家和科学研究机构也已经证明了这一点。）根据我们今天对宇宙的早期历史，也就是当中性原子首次出现时的那个阶段所进行的观测细节，我们已经知道，在那个时候，情况并非如此。

我们发现，在宇宙的早期历史上，温度有一个上限。尽管温度已经相当高，相当于大型强子对撞机所产生温度的 10 万亿倍——那种能力其实微不足道——但它与奇点相比，仍不是一个级别的（奇点的温度要比它高大约 1000 倍）。此时量子引力/弦理论将开始变得重要，因为这已经到了常规物理学法则（广义相对论和量子场理论）失效的级别。

我们得出这一结论的依据，是一幅反映了宇宙早期温度起伏整体分布情况的快照，也就是“宇宙微波背景”。

这些温度的起伏所告诉我们的是，在宇宙极早期的某些阶段——我们可以用大爆炸式的理论模型，来对这个炽热、致密，充满了辐射的阶段进行精确描述——在所有可计量的级别上，整个宇宙遍布微小的温度起伏（10 万分之几），且每个观测到的级别所拥有的起伏模式，幅度都是相同的。

随着宇宙的扩张和冷却，引力开始起作用，它试图将物质和能量拉回来，使密度高的地方越来越多，密度低的地方越来越少。而与此同时，辐射压会试图将这些起伏抹平。普通物质（质子、中子和电子）与光子及它们自身在一起相互作用，在起伏模式中制造出“充满活力”的特征；同时暗物质能够感知到辐射压与引力的拖曳，但是与普通物质、光子和它自身却并没有相互联系。

我们从中能够获知宇宙是由哪些不同要素构成的。

从中也可以获得两项重要的观测结果，一是，随着曲线的延伸，宇宙在空间上会趋向于扁平，而不是正向曲线（像个球形）或负向曲线（像马鞍）；另一个是，在宇宙的所有方向上，都拥有相同的温度参数，即使是在那些从未有机会与其他部分进行信息交换（或光子传递）的区域也是如此。

这两件事情非同寻常，可能是微妙的巧合（或者说，就是这么巧），但是也可能是某些大爆炸之前事件所留下的迹象。而宇宙呈指数级膨胀的那个阶段——也就是宇宙的暴胀——也有可能会使这两件事情成真。

宇宙暴胀同时也带来一系列预言：如不会有来自大一统理论的磁单极子或其他残留物、宇宙的大尺度结构内不会有拓扑学缺陷（如宇宙弦，磁畴壁），以及宇宙微波背景中的温度起伏会遵循一种特殊的分布方式。

事实上，我们不仅找到了强有力的证据，能够证明这些残留物和拓扑学缺陷不存在，而且早在 20 世纪 90 年代，就已经极其精确地测得了 Harrison-Zel’dovich 频谱，这可是暴胀理论在其被观测到之前十多年便已经作出的预言！换句话说，这一与起伏有关的频谱与宇宙暴胀理论的预言完全一致！

暴胀理论——这个能够解决大爆炸前事件的最好科学理论——针对“大爆炸之前是什么”这个问题，所能告诉我们的答案，也许是十分令人震惊的。

如上图所示，假如宇宙充满了物质（橙色）或辐射（蓝色），则必然会存在一个能够达到温度和密度都无限的点，即奇点。但是在暴胀理论中（黄色），一切都不同了。首先，我们并不需要一个奇点，而且我们也已经不需要我们之前所认为的“大爆炸时刻”。取而代之的，是一个与“过去”类似的、不完整的时空。

换句话说，我们不仅无法知道暴胀是产生于极其遥远的、位于暴胀之前年代中的一个奇点，还是其本身是持续的；而且我们甚至还无法知道暴胀是在不到1个遥刻托秒（10^-24 秒）内发生的，还是（在大爆炸之前）已经持续了和我们现在宇宙年龄一样长的时间！

要找到答案的希望极其渺芒——由于其本身的性质——几乎所有宇宙暴胀的理论模型都把暴胀结束前最后十亿分之一遥刻托秒，亦即宇宙开始之前的信息抹去了。

那么，在宇宙变得炽热、致密，开始膨胀，开始冷却，开始充满物质和反物质之前呢？那时候的宇宙处于暴胀状态，那是一个呈指数级扩张的宇宙，宇宙因而被拉伸至平坦，因而在所有的方向上都有相同的平均温度，所有的超大质量残余粒子和拓扑学缺陷都被抹去，产生的温度起伏最终形成了今天所见的大尺度宇宙结构，这一过程结束于138亿年前，并将大爆炸的表像植入了我们今天所知、所爱的可观测宇宙中。而假如这个能够影响我们今天可观测宇宙的暴胀持续时间比 1 遥刻托秒的十亿分之一秒长，且所知的物理定律仍然适用，那么几乎可以确定，我们今天生活的宇宙必然是一个多重宇宙，而我们的可观测宇宙只是许多宇宙中的一个而已。

然而在暴胀之前是什么？只有理论上的可能性，在我们的可观测宇宙中，没有来自那个时间的数据或信息能够指导我们。它可能会一直持续到过去，在此之前，可能真的存在一个奇点，或者是其他什么东西；以今天我们的观测结果为依据，我们还无法作出任何可能的推测。暴胀来自大爆炸之前，那些别人告诉你的不一样的信息，其实已经过时了有三十多年了！

我们仍然持续不断地探究暴胀的本质，以及在它之前有可能发生的一切。从现在开始，不要再相信那些不实的信息。假如你迷恋它们，就把它们当成一种可能性保留下来，但是请记住，那些猜测已经不再是科学所能提供的最佳答案！

作者：伊桑·西格
原载：Medium.com
翻译：老孙

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