如果没有宇宙大爆炸，我们生活在一个不断循环的宇宙中会怎样？

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你可能会认为宇宙是从大爆炸开始的。十年前，我也是这么想的。但后来我意识到这个问题还远远没有解决。在宇宙开始之前发生了什么？令人震惊的答案可能是，从来没有发生过大爆炸，而是一个没有开始或结束的宇宙，反复地从收缩到扩张，然后又回来。

20世纪20年代，俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)和比利时牧师兼天文学家乔治·勒马特(George Lema?tre)独立提出宇宙正在膨胀。弗里德曼在时间上向后推演，它应该从一个小的“原始原子”开始。当埃德温·哈勃(Edwin Hubble)根据他对遥远星系运动的观察，提供了支持宇宙膨胀的令人信服的经验证据时，这个问题就解决了。膨胀理论暗示着，我们今天看到的寒冷、广阔的宇宙曾经是一个微小的、热的空间。假设适用相同的法则，继续往后推演，热的空间缩小到含有超高浓度能量的精确点。这种假想的状态被称为大爆炸。但是没有证据表明这种简单的推演是有效的，也没有证据表明宇宙就是这样开始的。然而，它已经成为标准的观点，如此根深蒂固，以至于我们中的许多人在孩提时代就像我一样了解到了这一点。

有一个很好的理由对这种推演持怀疑态度，那就是与量子理论有关。当大爆炸进入流行词典时，管理亚原子领域的规则非常清楚，尽管非常奇怪。除此之外，他们还说，只要粒子不停留太久，粒子可以随时出现或消失。这种持续不断的出现或消失在像大爆炸这样的小尺度上是很重要的，那时宇宙的大小只有一个精确点那么大。无论这个空间里包含的是什么，能量都会不断地随机波动，所以随着空间的扩大，这些差异本应被分散开来，导致宇宙不同部分的能量数量出现巨大的不平衡。但事实是这样的：我们没有看到这种不平衡。

尽管宇宙中的物质随机聚集在一起，我们称之为星系，但当我们在最大的尺度上观察宇宙时，所有形式的物质在空间中的分布都是非常平滑的。这种一致性需要一个解释。此外，大爆炸时的那些相同的量子涨落应该会导致空间扭曲。当宇宙膨胀时，这些变形也会膨胀，并会在穿越宇宙的光路上产生疯狂的扭曲。然而天文学家看不到这些扭曲的痕迹。

在20世纪80年代早期，理论物理学家艾伦·古斯（Alan Guth），安德烈·林德（Andrei Linde），安德烈亚斯·阿尔布雷特（Andreas Albrecht）和保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）提出了一个旨在解决大爆炸理论问题的想法。他们提出，在大爆炸后不久，宇宙经历了一个短暂的极度快速扩张的时代，即所谓的膨胀。他们的概念是，膨胀会如此迅速地伸展宇宙，以至于时空结构中的任何曲折、曲线和扭曲都会被熨平，所有物质的分布都会变得平滑。

但膨胀本身也会带来问题。例如，它需要一个假设场，称为膨胀场。这需要在恰到好处的时间和恰到好处的力量打开-并且随着时间的推移保持几乎不变-以便解释宇宙的平滑性。在大爆炸情景中，这不可能发生，因为由于大的量子波动，膨胀场的强度在不同的空间区域会不同。因此，它更有可能没有膨胀或者不足以来平滑宇宙，或者膨胀会导致一个与我们观察到的宇宙不同的宇宙。

更重要的是，在存在大量膨胀的地方，那些同样麻烦的量子波动占据了主导地位，并阻止了膨胀的结束，也许只有少数几个罕见的空间例外。在这些地区，宇宙学性质是随机和不可预测的。我们看到的不是均匀的宇宙，而是膨胀的结果是空间最终被划分成无限多个具有无限不同性质的斑块。这种无法控制的多样性被称为膨胀的多元宇宙，它是一个集合，其中任何数量的不同宇宙都是可能的。

“宇宙膨胀的当前阶段将结束，它将进入一个新的收缩阶段”

今天大多数宇宙学家和天体物理学家倾向于忽略这些问题。但是自从部分科学家听说这些问题，就无法忽视它们。最初的计划是探索解决膨胀的方法，但后来发生了一些事情，改变了想法。

位于阿塔卡马沙漠的西蒙斯天文台将搜寻原始引力波

同样是由于量子涨落，膨胀的一个普遍特征是，无论在哪里膨胀结束，时空结构中都应该有小的扭曲，这种扭曲会演变成一种被称为原始引力波的奇怪现象。这些不同于2015年LIGO合作发现的时空涟漪，后者通常是由黑洞碰撞产生的。原始引力波的波长要大得多-如此之大以至于检测它们的唯一方法就是通过它们在宇宙微波背景辐射上的印记。这种辐射模式有时被称为宇宙的婴儿图片，因为它提供了宇宙在大约40万岁左右的样子的图像。这听起来可能很古老，但如果应用到人类生活中，它就相当于一天大的婴儿的照片。

欧洲航天局的普朗克卫星长期以来一直在详尽地绘制这种辐射的地图，目的是寻找原始引力波的证据。但在2013年，它背后的研究人员宣布，他们未能在预期的水平上找到它们。当听到这个消息时，科学家意识到这意味着最简单的膨胀理论版本被消除了。部分人觉得作为对大爆炸后发生的事情的简单解释，膨胀理论正在失去吸引力，探索一种不同的宇宙学方法。

安娜·伊贾斯（Anna Ijjas）决定追求的想法最早是由共同提出膨胀理论的的同一个斯坦哈特提出的。他指出，除了大爆炸之外，还有一种合乎逻辑的替代方案。这可能是我们的宇宙开始时不是从无到有，而是在以前的宇宙慢慢收缩到一小片空间之后，然后反弹，于是它开始膨胀，就像我们今天观察到的那样。

这种情况的主要吸引力在于反弹前的长期超缓慢收缩。就像膨胀需要一种特殊形式的能量(膨胀场)来驱动快速膨胀一样，超慢收缩需要一种特殊形式的能量，这种能量会施加极高的压力。高压通过抵抗压缩来减缓收缩，同时，倾向于消除能量分布和时空结构中的任何不规则性。但是，与膨胀阶段不同的是，缓慢收缩阶段不需要特殊的启动条件。它可以各种方式被触发，例如，通过衰减暗能量。

还有另一个好处：在一个缓慢收缩、寒冷的宇宙中，量子涨落在任何时候都很小。这意味着反弹场景的结果是确定的，不像在膨胀期间由狂野的量子涨落产生的混乱的多元宇宙。

该场景中缺少的证据表明，具有这些属性的反弹实际上是可能的。去年，安娜·伊贾斯发表了第一篇关于反弹是如何发生的理论描述。简而言之，他描述了一种假定的能量来源，它能在宇宙收缩到量子引力效应重要的点之前，停止收缩，并顺利地将其逆转为膨胀。从这样的反弹中出现的宇宙将具有我们观察到的能量的平滑分布和平坦的未扭曲的时空几何。

“我们可能生活在一个循环的宇宙中，每隔1000亿年左右就会反弹一次。”

安娜·伊贾斯与普林斯顿大学的斯坦哈特和弗朗斯·普里托里厄斯（Frans Pretorius）一起，对宇宙的演化进行建模，以寻找收缩和反弹过程的新颖独特特征。一种预测是超慢收缩不会产生可检测到的原始引力波。这与普朗克数据和随后的观测结果是一致的。

更敏感的实验正在建设中，例如位于智利阿塔卡马沙漠的西蒙斯天文台和日本航天局将在十年内发射的LiteBIRD卫星。如果他们检测到原始引力波，那么缓慢收缩的想法肯定是错误的。伊贾斯经常被问到是否担心这个想法可能会被一次实验所消除。但对伊贾斯来说，这才是真正的科学。

然而，如果我们确实看到反弹的迹象，其影响将是深远的。这个概念的自然延伸是，我们可以生活在一个循环的宇宙中，每隔1000亿年左右发生反弹。

甚至可以想象一个没有开始或结束的循环宇宙。每一个超慢收缩周期都会抹去之前周期的任何细节，并在与之前周期相同的条件下将宇宙带到弹力点。因此，在每个周期中，宇宙的所有特征平均都是相同的，包括温度，暗物质，普通物质和暗能量的浓度，以及可观察到的恒星和星系的数量。换句话说，如果你在我们之前的周期中生活在像地球这样的行星上，你会观察到与我们大致相同的宇宙基本属性。

这反过来导致了一个戏剧性的预测：宇宙膨胀速率缓慢加速的当前阶段将结束，宇宙将进入一个新的收缩阶段。然后，它将走向新的反弹和新的扩张阶段。因此，驱动当前加速膨胀的暗能量必须衰减消失，这可能会在未来的实验中检测到。

这一点，加上对原始引力波的研究，意味着我们可能很快就有可能知道宇宙是否真的是从一次爆炸开始的。


本文选自：今日头条

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应该称为 宇宙大创造