宇宙究竟是在大爆炸，还是大反弹？

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宇宙究竟是在大爆炸，还是大反弹？是怎么回事，是真的吗？2020年12月31日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                宇宙究竟是在大爆炸，还是大反弹？
                               
                                宇宙学是一个神秘而迷人的领域。它探讨的问题有很多，比如宇宙的形状是什么？宇宙中又包含了什么？ 宇宙又是如何开始的？
                               
                               





宇宙的演化，从左边的大爆炸到右边的现代宇宙。| 图片来源：NASA

回到大约138亿年前，在大爆炸之后宇宙经历一次极其快速且短暂的暴胀时期，从而抹平了空间中的曲率，造就了我们所观测到的平坦的宇宙。自那之后，宇宙持续的膨胀、冷却和演化。在不同的地方，粒子会聚集逐渐形成星系和恒星。


这张近红外图中显示了银河系周围的星系分布：蓝色的是离我们最近的，红色的是离我们最远的。中线的明亮地带就是银河系。这张图的绘制来自于超过150万个星系的数据。| 图片来源：Thomas Jarrett / IPAC / Caltech

这样一幅简单的图景被称为暴胀理论，它与迄今为止的所有观测结果都相吻合，也受到大多数宇宙学家的青睐。但是，它背后所蕴含的一些含义却令部分宇宙学家不安：在时空的大部分区域，这种快速的膨胀永远不会停止，因此这就势必会产生多重宇宙。

普林斯顿大学的物理学家Paul Steinhardt是暴胀论的提出者之一，然而后来的他却转而成为了这一理论的批判者。近年来，他与其他一些科学家提出了周期性宇宙的概念，认为宇宙会周期性地膨胀和收缩，此时的宇宙正处于这种“创造”与“毁灭”的永恒循环中的最新一轮中。

通过与专门研究广义相对论计算模型的Frans Pretorius一起，Steinhardt与德国马克斯普朗克引力物理研究所的宇宙学家Anna Ijjas分析了一个正在坍缩的宇宙是如何改变自身结构的。

在暴胀模型中，暴胀过程就像是在吹气球，它负责让膨胀的宇宙变得平滑和平坦。这就像是在气球上放有一只蚂蚁，在此过程中，蚂蚁会像是通过一个越来越强大的放大镜来观测一切，它所能看到的距离缩小了，世界变得越来越“平平无奇”（没有明显特征）。

而对于周期性宇宙模型，Steinhardt和合作者想象了一个在某种无处不在的能量场的驱动下，已经膨胀了约一万亿年的宇宙。当这个能量场最终变得稀疏时，宇宙开始慢慢收缩，然后在数十亿年的时间里，收缩将一切距离拉近，但并不会全部收缩到某一点上。收缩使得能量场重新“蓄能”，使宇宙变热，于是大反弹便再次随之而来，开始新一轮的循环。宇宙变得平滑，就发生在收缩期间，一个被称为哈勃半径（能够看到的最大距离）的度量在这一时期发生了翻天覆地的变化，它猛地收缩最终变成微小的距离，确保了平滑和平坦。


循环宇宙模型：宇宙没有开始也没有结束，周期性的收缩能让宇宙结构变得平滑。| 图片参考来源：Quanta Magazine

在计算机模拟中，Steinhardt和他的合作者用一系列“婴儿时期”的宇宙，对缓慢收缩模型进行了测试。一直以来，Steinhardt和Ijjas对暴胀理论的一个批评就在于，它只在一些特殊情况下起作用，比如它需要其能量场在形成时是“平平无奇”的。因此在新研究中，他们探索了各种不同情况下的能量场，比如扭曲的、不均匀的场，向错误方向移动的场，以及天然地就有一半在向相反方向运动的场……模拟表明，几乎在每一种情况下，收缩都会迅速产生一个和我们现在的宇宙一样“平平无奇”的宇宙。

一些宇宙学家认为，新的这项模拟非常全面，但目前这些新的计算技术才仅仅让这样的分析变为可能，因此，很有可能暴胀的所有情况仍处于未被绘制的阶段。接下来，研究人员将会把注意力放在反弹本身，这会是一个更加复杂的阶段。他们希望，通过将收缩和反弹阶段合在一起，将能识别出与反弹宇宙有关的特征。

封面图来源：Free-Photos / Pixabay
参考来源：
https://www.simonsfoundation.org/2020/04/22/bang-bounce-or-something-else/
https://www.quantamagazine.org/big-bounce-simulations-challenge-the-big-bang-20200804/
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2020/08/030/meta