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宇宙在还没有形成时是怎样的?

当爱德温•哈勃公开宣布宇宙是持续在膨胀的时候,爱因斯坦非常不安,据说他在广义相对论中把宇宙常数称作是他生命中最大的错误,他的错误在于他认为宇宙是个静止不变的地方。宇宙空间的膨胀意味着,宇宙可以被重新追溯回一个奇点。目前理论认为,宇宙是从138亿年前的那个奇点发生大爆炸之后诞生的。

然而,人们不禁要问,到底是什么造成了这种宇宙大爆炸?或者说,在那之前存在什么?

这个问题是在是太模糊了。物理学家通过仔细研究它的某些方面来缩小它的范围,例如,推测先前的哪些现象会导致我们的宇宙展现它目前所拥有的特性。一个令人费解的特性是宇宙惊人的秩序。宇宙由于一些神秘的原因,显示非常低的熵或无序,而且熵是随着时间的流逝不断增加的,那么逻辑上来讲宇宙就是从一个更小的熵开始。前大爆炸理论必须解释为什么它是这样开始的。

在所有理论中,下面列举了两个最重要的例子。然而,这些都是推测,并不是经过验证的事实,但它们背后有着合理性。

大反弹

一个有开端的宇宙意味着有结束。宇宙学家把这称之为宇宙大坍缩,这是空间收缩的过程。在上述场景中,某个时间点,引力收缩大胜空间膨胀,并且把所有的质量拉向一个单一的点——奇点。

奇点是一个零体积和无限密度的区域,目前的理论无法解释这样的状态。少数宇宙学家认为,这对孕育我们的宇宙而言就是一场大灾难。根据宇宙大反弹理论,宇宙从先前宇宙所坍缩成的奇点中诞生。宇宙不断重复膨胀与坍缩,我们现在的宇宙只是这其中的一个过程。

奇点是一个非常吸引人的宇宙现象,目前,没有物理学理论可以解释它的行为。不只是爱因斯坦的相对论会在这个无穷小的规模中崩溃,还有无限密度也超越了粒子物理学家对量子物理标准模型的理解。大反弹尤其违反广义相对论,这里好像没有明显的理由显示为什么宇宙会不断重复膨胀与坍缩。有些人认为,目前的理论是不完整的,肯定会有一个大统一理论能够解释这样的现象。

大反弹理论的支持者们预言,宇宙诞生是大爆炸循环的一部分。然而,大坍缩似乎是没什么希望会发生,因为暗能量正使宇宙加速扩张,最终的宇宙有可能会演变为热寂的状态。

多元宇宙

在二十世纪六十年代,天文学家探测到了宇宙微波背景辐射,这成了宇宙大爆炸理论的关键性证据。这是早期宇宙残余的热量,它们是宇宙发出的第一束光,其波长现在已经被拉伸至微波。然而,宇宙学家对各向同性的宇宙微波背景辐射感到困惑,不知宇宙为何会如此有序。

物体通过把热量传给附近的物体或者是它们的周围,直到降低了它们的温度,以此来达到温度平衡。然而,宇宙微波背景的各向同性看起来是不可能的,因为在巨大的宇宙范围内想要达到温度平衡会被光速限制,这是不可能瞬间实现的。

物理学家阿兰•古斯推测,在宇宙从奇点诞生之后的最初阶段,宇宙经历了空间暴胀的过程,这能使整个宇宙的温度达到平衡。根据暴胀理论,通过空间的指数式膨胀,温度很快就达到了平衡。在宇宙暴胀的过程中,空间的膨胀速率超过了光速,所以宇宙温度来得及平衡。需要注意到是,狭义相对论限制物体在空间中的运动速度超过光速,但空间本身的膨胀与此无关。

宇宙暴胀并不只是很好地解释了宇宙早期过程,它还可以解释是什么导致了宇宙大爆炸的发生。空无的空间会不断出现微小的随机量子涨落,在那里会突然出现一对正反虚粒子对,它们只能存在极其短暂的时间,很快就会湮灭掉。根据暴胀理论,正反虚粒子对发生湮灭之前,空间暴胀会把它们分开。

​然而,物理学家在二十世纪八十年代发现,暴胀可能是永恒的,超过光速膨胀在某些区域会停止,但在其他区域可能还在持续。这暗示着多元宇宙的存在,我们的宇宙可能只是其中之一。多元宇宙为我们提供了一个令人信服的论据,说明我们这样的低熵宇宙如何能够挤过一个高熵宇宙。

平行宇宙意味着暴胀过程产生了无限宇宙,每一个宇宙都可能有不同的属性和不同的物理学常数。我们的宇宙很幸运,各种物理学常数都恰到好处,如果它们发生一些偏差,我们就有可能无法存在。

至今,科学界已经达成共识,宇宙大爆炸是由一个奇点爆发的。在奇点里,所有的物理定律都会失效。只有当我们发现了所谓的大统一理论之后,我们才有可能知道宇宙究竟是如何开始的,宇宙开始之前的状态又是如何的。可能宇宙开始之前是什么的答案很简单,那就是虚无,什么都没有。

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