宇宙的循环模型让宇宙学家重新思考大爆炸

在保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）所在的宇宙学领域，说“历史会重演”简直是轻描淡写。这是因为根据他和少数同行所说，宇宙的形态可能每万亿年左右就会进入一个新的循环。

“一亿年听起来很长，但从宇宙学的角度来看，就像是明天，”斯坦哈特说。

这位物理学教授、普林斯顿理论科学中心主任与尼尔·图罗克（Neil Turok）合著了一篇关于这个话题的论文，题为《宇宙的循环模型》。他所倡导的宇宙循环模型正是如此：一个关于宇宙一次又一次以循环形式形成的理论。

该模型的支持者希望我们重新思考大爆炸和宇宙的快速膨胀。他们认为，这样做可以填补我们对空间和时间运作方式的普遍理解中一些最大的空白。

大爆炸与暴胀模型

目前普遍接受的宇宙理解是这样的：大约140亿年前，发生了大爆炸。在大爆炸最初的几秒钟内，我们所理解的物理定律并不适用。所有最终将构成物质的东西在几秒钟内爆发出来——首先是粒子，如电子和光子，最终是构成我们原子的基本单元中子和质子。早期恒星、行星和星系的种子从那个时空的决定性时刻开始膨胀。它的传播方式使得宇宙变得高度平滑。

在大尺度上，平滑意味着宇宙中的物质分布相对均匀。也就是说，如果你围绕宇宙的一个区域放置一个立方体，它不会比随机放置的另一个立方体密度大多少。而在小尺度上，例如星系之间或太阳系内部，物质是“凹凸不平”的，充满了团块。

物理学家推测，在大爆炸后不久，发生了所谓的“暴胀”。基本上，曾经微小、紧密聚集的宇宙在不到一秒的时间内迅速膨胀，并且今天仍在继续膨胀。暴胀是当前宇宙标准模型的一部分，称为Lambda冷暗物质（LCDM）模型。在LCDM模型中，宇宙轨迹的形状在某些描绘中看起来像一个漏斗，其宽阔的顶部随着时间的推移不断生长和扩散。

这是一种解释。但也有其他解释，这些解释源于科学家实际观察和测量到的真实生活中的信息——也就是说，观测天文学。如果科学家要使用模型来对我们宇宙的未来做出实际预测，真实的信息至关重要。

“宇宙学有点像团队合作，你需要一些人专注于非常实际和观测性的东西，也需要一些人进行科幻创作，”澳大利亚昆士兰大学的博士后研究员莱昂纳多·吉亚尼（Leonardo Giani）说，他的研究侧重于标准模型以外的宇宙的替代模型。“就是这样进行的。”

我们所确定的

理论天体物理学就是基于少量我们确实确定的事物所形成的、有根据的猜测。被称为宇宙微波背景（CMB）的东西，构成了那部分可观测信息的重要组成部分。CMB由宇宙早期阶段遗留下来的辐射痕迹组成。射电望远镜可以接收到它，然后将波转换成一种类似热力图的图像。

这张图像实际上展示了在大爆炸后约40万年宇宙的物质分布情况——这是我们最早能够观测到的、没有恒星、太阳系和星系的宇宙快照。一切都更近，几乎是均匀的，除了那些成为恒星和星系物质的微小涨落。这张图像证明了宇宙最初是紧密聚集的，并膨胀到了今天的位置。

我们还知道宇宙在继续膨胀，甚至可以在一定程度上测量它的膨胀速度。CMB也证实了宇宙的早期版本非常热，而我们现在所处的时代则要冷得多。

我们现有模型的缺点

斯坦哈特说，暴胀模型本身已经扩展和修正了源于大爆炸理论的先前模型，但它也带来了一些问题。暴胀模型本应解释为什么宇宙在大尺度上如此均匀，而没有相同的初始条件。但是，斯坦哈特说，暴胀模型产生了太多的可能性，这使得模型本身不太有用。

斯坦哈特说，先前的模型无法排除对宇宙的错误预测。“这就像我来向你解释为什么天空是蓝色的，但当你更仔细地审视我的理论时，‘哦！我的理论也可以预测红色、绿色、波点、条纹、随机[颜色]，’”斯坦哈特说。“然后你会说‘好吧，那个理论有什么用？’”

然后是奇点问题。斯坦哈特认为，暴胀理论在大爆炸“之前”这一点上也会陷入困境，因为根据它，它之前什么都没有。“大爆炸最根本的哲学问题是，有‘之后’但没有‘之前’，”斯坦哈特说。“类似地，我们不知道历史上‘只发生一次’的事情。”

从数学上讲，大爆炸似乎来自于一个未定义的状态——爱因斯坦的广义相对论下的物理定律无法解释的东西。这也被称为“奇点”。对斯坦哈特来说——但并非对所有人来说——这是数学上的危险信号。“我们都在学校学过，当你得到1除以0的答案时，你就麻烦了，因为这是一个没有意义的答案。你犯了一个错误。”

与此相关的一个问题是，将暴胀理论与弦理论和量子力学相协调也存在一些困难，斯坦哈特说。如果模型正确地描述了宇宙，那么其他被接受的物理学框架应该与之一致。然而，斯坦哈特说它们是矛盾的。“当人们考虑宇宙学时，你经常需要跨越相当遥远的思维领域，无论是天体物理学方面还是基础物理学方面，看看它们是否契合？”他说，循环模型有助于做到这一点。

循环模型及其衍生

宇宙的循环模型旨在解决大爆炸和暴胀模型中一些看似无法解决的问题。“它让我们能够超越大爆炸，而没有任何哲学上的魔法问题，”布朗大学物理学教授、基于弦理论的宇宙暴胀模型联合发明者斯特芬·亚历山大（Stephon Alexander）说。“因为时间过去一直存在。”

科学家们已经提出了几种可行的数学循环模型。斯坦哈特和图罗克的循环宇宙模型就是其中之一。其核心原则如下：大爆炸不是时间的开端；它之前有一个阶段，有多个收缩和膨胀的循环无限重复；定义我们宇宙形状的关键时期就在所谓的“大爆炸”之前。在那里你会发现一个缓慢收缩的时期，称为“大挤压”。

因此，循环模型允许一个漫长的准备时期，而不是从无到有地开始时间。它声称解决了与暴胀理论相同的问题，但在此基础上更进一步。例如，大挤压之前存在时间消除了奇点问题——那个未定义的数字。它还利用了弦理论和量子涨落。

与LCDM模型一样，循环模型也可以解释暗能量，这是一种不可观测的力，科学家认为它是宇宙加速膨胀背后的原因。但在斯坦哈特和图罗克的模型中，情况变得有些像科幻小说：两个相同的平面，或称为“膜”（在弦理论中，它可以是任何维度的物体），相互碰撞然后分开。我们可以观察到我们这个平面的三个维度，但无法观察到另一个平面的额外维度。暗能量是促使膜碰撞的力量，同时它们之间存在分离。膜本身的膨胀随之而来，然后当膜变得尽可能平坦光滑时，暗能量又将它们拉到一起。

研究员吉亚尼对此不太确定，因为该模型从弦理论中引入了一些假设。他喜欢牛津大学理论物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）提出的另一个循环模型，彭罗斯本人称之为对宇宙的“一个惊人的新视角”。“我对此感到完全震惊，”吉亚尼说。

这很难理解：在遥远、遥远的未来，我们的太阳系和星系将被黑洞吞噬，黑洞会吞噬宇宙中所有的质量，然后在难以想象的时间之后，只剩下黑洞。最终，只剩下光子，根据我们接受的物理定律，光子没有质量，因此也没有能量或频率。

彭罗斯解释说，在这个阶段，尺度测量不再适用，但宇宙的形状得以保留。他认为，在大爆炸的时刻，当粒子如此炽热和靠近，以至于它们几乎以光速运动时，它们也会失去质量。这使得大爆炸的条件与寒冷、遥远的未来宇宙相同。它们的尺度不再相关，一个可以孕育另一个。遥远的未来和大爆炸变得同一回事。

证伪模型

最终，人类能观测到的宇宙是有限的。这就是为什么宇宙理论从未完全。它们将我们能观测到的宇宙的一小部分与数学模型和理论相结合，以填补其余部分。因此，在宇宙学中，科学家们会寻找可以证伪他们模型的可观测现象，并根据问题重新塑造他们的理论。

但随着我们技术的飞速发展，支持或削弱某个模型或另一个模型的观测结果越来越频繁。“进行所有这些推测的工作是完全值得的，因为我们即将达到数据到达的临界点，”吉亚尼说。其中一项观测可能会为循环模型提供有力的支持，或者证实更被广泛接受的暴胀理论。

由于我们在观测宇宙最古老部分（在CMB中看到）时物质的分布方式，到达我们的引力波可能会像光一样，在特定频率上发生偏振。很快——实际上在几年内——科学家们就可能能够确定这种偏振是否存在。如果存在，它将支持暴胀模型。如果这种偏振不存在，它将削弱循环模型的标志性特征——“缓慢收缩”。

我们将更接近于理解时间和空间，但在这个宇宙中的旅程还远未结束。

[更正：本文早期版本错误地陈述说，在黑洞吞噬我们星系的假设未来中，将只剩下质子。这里应该指的是光子，而不是质子。我们对此错误表示歉意。]