宇宙的起源是爆炸还是反弹——或者完全是其他的东西？关于我们起源的问题是物理学中最棘手的问题之一，很少有答案，但有很多猜测和强烈的感受。目前最流行的理论是暴胀，即宇宙在诞生于大爆炸后的最初几分之一秒内迅速膨胀。但一个不被看好的观点认为，这个宇宙的诞生实际上并不是开始——时空的一个早期版本已经存在，并且朝着“大挤压”收缩，然后翻转并开始膨胀成我们今天看到的样子。现在，一项新的研究提出了关于这种“反弹”情景的转折，让支持者感到兴奋，而暴胀理论的支持者则对一个他们说他们已经反复驳倒，但却不断反弹的“竞争对手”感到新的愤怒。
暴胀理论之所以受到许多人的青睐，是因为它所提出的快速膨胀似乎解释了宇宙的许多特征，例如宇宙看起来相对平坦（而不是在大的尺度上弯曲）并且在所有方向上大致均匀（同样在大的尺度上，到处都大致有相同数量的东西）。当最终相距很远的太空区域最初彼此靠近并相互接触时，就会出现这两种情况。然而，该理论的最新版本似乎表明——甚至要求——暴胀不仅创造了我们的宇宙，还创造了一个无限的宇宙景观，其中每个可能的宇宙类型，具有每一组可能的物理定律和特征，都在某个地方形成。一些科学家喜欢这种暗示，因为它可以解释为什么我们这个特殊的宇宙，以其看似随机但又完美校准的生命条件而存在——如果每一种宇宙都存在，那么我们的宇宙存在也就不足为奇了。但其他物理学家觉得多元宇宙的观点令人反感，部分原因是如果该理论预测每种可能性都会发生，那么它就不会唯一地预言像我们这样的宇宙。
“大反弹”理论也预测了一个平坦且均匀的宇宙，这要归功于在收缩期间可能发生的对空间的平滑效应。但是，反弹观点的症结在于收缩和膨胀之间的过渡，这似乎需要“奇点”这个令人讨厌的概念——宇宙处于无限密度的单一点的时间——许多人认为这是一个数学上毫无意义的命题，表明理论已经偏离轨道。现在，物理学家们表示，他们已经找到了一种在不遇到任何奇点的情况下计算反弹的方法。“我们发现我们可以精确地描述宇宙的量子演化，”该研究的合著者、安大略省珀里米特理论物理研究所所长尼尔·图罗克说。“我们发现宇宙平稳地穿过奇点，并从另一侧出来。这是我们的希望，但我们以前从未真正实现过。”他和伦敦帝国学院的斯蒂芬·吉伦上个月在《物理评论快报》上发表了他们的计算结果。
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量子宇宙
这项突破的出现归功于研究人员采用的两项技术。一种是使用新兴的、尚未完成的量子宇宙学理论——量子力学和广义相对论的混合物——而不是经典广义相对论来描述宇宙。第二种是假设当宇宙年轻时，物质的行为就像光一样，描述它的物理定律不依赖于尺度。例如，无论波长如何，光的作用方式都相同。另一方面，物质的物理性质通常会从小尺度到大尺度变化。“我们知道在最初的 5 万年里，宇宙基本上只是充满了辐射，”普林斯顿大学的物理学家安娜·伊贾斯说，她没有参与这项研究。“我们现在看到的正常物质实际上并不重要。我认为，我们目前的测量结果实际上非常表明早期宇宙是无尺度的。”
在这些条件下，图罗克和吉伦发现，收缩的宇宙永远不会真正变成奇点——本质上，它会通过从之前的状态跳跃到之后的状态来“隧道穿过”这个令人担忧的点。虽然这种规避听起来像是作弊，但它是量子力学中一个被证明的现象。由于粒子不存在于绝对状态，而是存在于概率的阴霾中，因此它们有很小的但真实的机会“隧道穿过”物理屏障，到达似乎它们无法到达的位置——在微观尺度上，相当于穿墙而过。“空间、时间和物质中的模糊性共同作用，使得宇宙在给定时间所处的位置不确定，”图罗克解释说。“这使得宇宙能够穿过奇点。”
其他大反弹支持者表示，这项工作是重要的一步。“通过做出这两个合理的假设，他们发现了一个非常有趣的结果，即可以发生反弹，”普林斯顿物理学家保罗·斯坦哈特说，他是暴胀理论的创始人之一，最近成为其最严厉的批评者之一。他没有参与图罗克和吉伦的研究。“它表明原则上可以避免奇点。”斯坦哈特和伊贾斯一直在研究另一种通过数学方式证明反弹可能性方法，方法是在宇宙中引入一种特殊的场，该场会在空间小到足以成为奇点之前，导致收缩转变为膨胀。他们的解决方案使用经典的广义相对论，而不是量子宇宙学。“这意味着经典的、非奇异的反弹也是可能的，”斯坦哈特说。他们在一篇论文中报告了他们的工作，该论文于 6 月 28 日发布在预印本服务器 arXiv.org 上。
这两项研究仍处于初步阶段。图罗克和吉伦只计算出了完全平滑且缺乏导致真实宇宙中恒星和星系形成的小密度涨落的理想化宇宙的反弹。“我们实际上可以精确解决的情况是非常简单的宇宙，”吉伦说。“你总是会问的问题是，‘如果你处理更复杂的东西，它还会存在吗？’ 这就是我们目前正在努力的事情。”
如果宇宙反弹了一次，一个自然的问题是它是否会再次反弹。但并非所有的反弹理论都表明我们注定要永远经历收缩和膨胀的循环——例如，即使我们的宇宙之前反弹过，到目前为止我们也没有迹象表明它正在走向另一次收缩。被认为构成宇宙总质量能量预算中最大一部分的暗能量似乎正在以不断加速的速度将我们的宇宙拉开。未来真正会发生什么是一个非常开放的问题——事实上，它与一切是如何开始的一样开放。
恶性竞争
许多暴胀理论的支持者对任何反弹模型都持高度怀疑态度，尤其因为他们说，支持者过去曾多次声称能够计算出没有奇点的反弹，但却被证明是错误的。“我不高兴他们不承认他们早期的所有论文都应该被忽略，”斯坦福大学物理学家雷纳塔·卡洛什说，她计算出了先前提出的反弹模型中的错误。“他们现在提出了新的主张，而我不相信这一新的主张。”艾伦·古思是暴胀理论的先驱，在麻省理工学院工作，对此表示赞同。“我仍然怀疑他们是否真的实现了非奇异解，”他说。“我想拭目以待它的发展。如果他们成功地完成了他们声称所做的事情，我确实认为这非常重要——即使它不是宇宙历史的最佳模型。”
不过，一些暴胀研究人员比较宽容。“我认为这是一项非常有趣的研究方向，”约翰霍普金斯大学的马克·卡米奥科夫斯基说。“反弹情景虽然尚未发展到暴胀理论的发展水平，但很有希望，而且必须尝试进一步发展它们。这篇论文在一个玩具模型中提供了一个有趣的数学结果，”他补充道，指的是研究人员研究的理想化宇宙。
卡洛什和其他人反对使用量子宇宙学来描述反弹，因为宇宙在这样一个阶段可能并没有微观地小。“他们有一个大宇宙的坍塌——为什么大宇宙应该与广义相对论所说的不同？”图罗克反驳说，任何宇宙的最终理论都必须将量子力学纳入广义相对论，因为众所周知，经典理论本身在某些极端情况下会失效。“自然是量子的，”他说。“我们知道经典理论在非常基本的层面上没有任何意义。”
图罗克和其他暴胀理论的批评者对占主导地位的理论也有自己的问题。他们指责说，暴胀需要不太可能的情况才能启动（支持者不同意这种说法），并且它并没有解决大爆炸本身时刻奇点幽灵的问题。此外，“暴胀导致了多元宇宙的噩梦情景，”图罗克说，“由于某些奇怪的原因，它出奇地受欢迎。”
他认为，该领域激烈的辩论和对新思想的严格审查将有助于科学家最终收敛于一个更好的关于我们起源的理论。“人们持有非常强烈的观点，”图罗克说。“我坦率地承认我持这种观点，我也坦率地承认我的观点并未被 95% 的宇宙学家所接受。我实际上对所有这些理论都持批评态度，包括我发明的那些理论。但今天我们有了惊人的观测结果，指向宇宙中令人难以置信的简单性。对我来说，这意味着我们所有现有的理论都过于复杂。观测结果指向简单性，而我们的工作是提出一个简单的理论，希望能够解释这些。”