宇宙的循环再生

有些问题令人不安，因为它们的答案只能在两种同样令人难以置信的方式中选择其一。例如，我们是宇宙中唯一的智慧生物，还是会找到其他的智慧生物？另一个令人不安的难题是：宇宙是在遥远的过去开始的，还是它一直都在这里？

大爆炸显然标志着某种开端。那场可怕的能量爆发和空间膨胀启动了我们今天用眼睛和望远镜所能看到的一切。但就其本身而言，大爆炸理论会让我们身处一个弯曲的宇宙中，物质和能量没有充分混合。事实上，我们现在知道时空是平坦的，星系和辐射均匀分布在整个宇宙中。为了支持大爆炸理论，宇宙学家提出宇宙始于来自单一均匀空间区域的指数膨胀爆发，其印记至今仍留在宇宙中。这种暴胀宇宙学非常成功，以至于排挤了所有的竞争对手。

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然而，在过去的一年中，一组研究人员开始挑战这一想法的卓越地位，尽管宇宙学领域尚未完全接受这种新方法。挑战者们借鉴了粒子物理学中一些前沿但未经证实的理论，将大爆炸解释为更高维度物体之间的猛烈碰撞。在这个解释的最新进展中，作者们找到了一种方法，将那次单一的碰撞变成一场永无止境的斗争，大约每万亿年就会重演一次，使我们的宇宙仅仅是无限生与再生的循环中的一个阶段。

这种循环的想法并不新鲜。在 20 世纪 30 年代，加州理工学院已故的理查德·托尔曼想知道，如果一个封闭的宇宙——其中所有的物质和能量最终都会在一次大坍缩中被压缩——能够幸存于其闭合并再次爆发，会发生什么。不幸的是，正如托尔曼意识到的那样，宇宙会在每个新的循环中积累熵；为了补偿，它必须像失控的雪球一样每次都变得更大。正如雪球必须在某个时间点开始一样，这样的宇宙也必须如此。

然后在 20 世纪 60 年代，物理学家证明，大坍缩也必然会达到一个奇点——一个充满了无限物质和热量的点——在那里广义相对论失效。物理定律因此悬而未决。“循环宇宙的想法已经存在很长时间了，”加州大学戴维斯分校的安德烈亚斯·阿尔布雷希特说，他是暴胀的共同发明人，“它一直受到一个根本问题的困扰：是什么物理学导致坍缩的宇宙反弹回膨胀阶段？”

弦奇点

解决该问题的一种潜在方法是假设基本粒子，如电子、光子和夸克，实际上只是在更高维度中抖动的微小能量弦的表现形式。问题是，这样的弦理论要求宇宙至少有 10 个维度，而不是我们感知到的通常的三个空间维度和一个时间维度。“在弦理论中，你学到一件事——你处于更高的维度，”宾夕法尼亚大学的弦理论家伯特·奥弗鲁特说。“那么问题是，我们的真实世界从哪里来？这是一个非常好的问题。”

1995 年，当时在普林斯顿大学的彼得·霍拉瓦和普林斯顿高级研究所的爱德华·威滕为答案铺平了道路，他们表明弦也可以存在于更基本的 11 维理论中。他们将这些维度之一在数学上坍缩成一条微小的线，产生了一个 11 维时空，两侧是两个 10 维膜，或称膜宇宙，被形象地称为“世界末日”膜。一个膜宇宙将具有像我们自己的宇宙一样的物理定律。从那里，奥弗鲁特和同事们推断，这些 10 个维度中的六个可以变得非常小，有效地将它们从日常视野中隐藏起来，只留下传统的四个空间和时间维度。

2001 年初，宇宙学家贾斯汀·库里和普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特（另一位暴胀先驱）、剑桥大学的尼尔·图罗克和奥弗鲁特将他们的膜宇宙应用于大爆炸。通过在弦理论中回溯时钟，他们发现当我们的宇宙膜宇宙反向穿过其起始奇点时，它突然从一种强烈但有限的热量和密度状态转变为一种寒冷、平坦且几乎空无一物的状态。在此过程中，它将另一种膜宇宙释放到 11 维的间隙中。在时间上向前运行，大爆炸看起来只不过是两个膜宇宙像铙钹一样相互撞击。他们将这个过程命名为火劫模型，以古代希腊“大火”宇宙学命名，其中宇宙诞生于并从一场猛烈的爆炸中演化而来。

然而，由于对弦理论中的奇点没有更好的理解，该小组无法研究我们的膜宇宙在碰撞后膨胀时会发生什么；该模型仅提供了收缩宇宙。然后在去年晚些时候，该小组与高级研究所的内森·塞伯格合作发现，奇点可以被解释为两个“世界末日”膜宇宙之间的碰撞，其中只有分隔它们的间隙维度瞬间缩小为零。“因此，当你将其描述为膜宇宙碰撞时，看起来有点灾难性的奇异性，实际上根本不奇异，”图罗克解释说。塞伯格指出，这种情况仍然是一种猜想，但在数学上与广义相对论中对大爆炸奇点的描述相同。

火劫模型到目前为止似乎有点牵强，麻省理工学院的艾伦·古思指出，他是暴胀的另一位作者。大爆炸前的宇宙必须是黑暗、平坦和无限的，似乎是凭空捏造的。但为什么它应该以这样的状态开始呢？斯坦哈特和图罗克的最新研究表明，答案与暗能量有关，暗能量是驱动星系以越来越快的速度彼此远离的力量。

耗尽的膜宇宙

随着宇宙加速膨胀，光在遥远的空间角落之间传播将变得更加困难。随着时间的推移，星系将与其邻居隔离；恒星将逐渐熄灭；黑洞将在量子力学上蒸发成辐射；即使是辐射也会在浩瀚的空间中被稀释。宇宙最终可能会变得很像火劫模型所暗示的大爆炸前应该出现的样子。

因此，斯坦哈特和图罗克提出，暗能量与火劫模型中较温和的奇点相结合，提供了一种建立循环宇宙的简洁方法。我们的膜宇宙及其对应物将像往常一样相互弹开，但它们不会分道扬镳，而是会像被弹簧连接一样一次又一次地相互撞击。膜宇宙之间这种吸引力实际上将是暴胀宇宙学为解释早期宇宙爆发而假设的那种力的一种特殊情况。

膜宇宙的振荡运动会像风箱一样将空间泵入我们的宇宙，解释了我们今天看到的加速膨胀。因此，“当你问为什么宇宙是现在这个样子时，”图罗克解释说，“嗯，那是因为它必须是那样才能在下一次重复。”并且由于每个膜宇宙都已经无限大和平坦，因此无需担心第一个循环。

阿尔布雷希特评论说，该模型在早期暴胀和当前宇宙加速之间建立了最终联系方面很有趣，但“如果他们能够真正证明循环宇宙是可能的，那么这个案例将更有说服力。”古思也没有被打动。他解释说，尽管他等待着宇宙学与弦理论融合的那一天，但他期望暴胀成为那种宇宙学。总的来说，并非所有物理学家都相信碰撞的膜宇宙可以产生物质和能量密度中的微小波动，而暴胀可以巧妙地解决这些波动。需要这些量中的微小变化来解释恒星和星系聚集在一起的方式以及宇宙微波背景辐射的详细特性。

在火劫模型中，必要的波动应该是在膜宇宙量子力学地波动时产生的，因此不同的区域会相互撞击并首先开始膨胀。火劫阵营确信这些涟漪可以产生我们今天看到的精确变化。“我认为令人惊讶的是，这个模型在重现我们看到的一切方面都运作得如此之好，而且又如此不同，”斯坦哈特评论道。“这非常令人震惊，而且我认为很重要，因为我们认为我们正在趋向于某种独特的宇宙故事。”

但奇点仍然是另一个障碍。尽管最近取得了进展，但没有人确定诸如膜宇宙涟漪之类的特征是否真的可以毫发无损地从大坍缩传递到大爆炸。“奇点处会发生什么？”塞伯格沉思道。“这是一个巨大的未解之谜。”因此，尽管弦理论中的奇点可能如图罗克所说，是“最温和的”，但它仍然是一张未知牌。

然而，交易尚未完成，现在说碰撞的膜宇宙会持续存在还是会失败还为时过早。也许它会吸引具有更富有想象力的想法的新玩家。“我碰巧认为循环模型是一个真正有趣的模型，”斯坦哈特说。“它有很多人们还没有机会玩弄的新成分。当他们玩弄时，他们可能会发现我们错过的其他有趣的东西。”或者不会。