前大爆炸时期是存在的。大爆炸并不是时间的开始,而是宇宙历史中的一个转折点。

4.1

大爆炸之前宇宙是什么模样?若你向宇宙学家,他们通常会搪塞说,这个问题没有意义。如著名的天体物理学家霍金对此总是问道,“北极之北是什么地方?按现代宇宙学的主流思想,大爆炸意味着宇宙的真正开始,空间和时间由此进入存在,绝不会有“之前”这个问题。

  但有一位物理学家敢于挑战这个问题。若他正确,那么在大爆炸之前,宇宙已经历了一个不可想象地久长的时期。欧洲核子研究中心(CERN)的C· 范纳齐奴说,“大爆炸远不是时间的开始,它仅是宇宙历史的一个转折点。”范氏早在90年代初,就对大爆炸之前进行探索,当时,他跟同事盖斯柏立宁开始对标准大爆炸模型中的一些缺陷作了研究。例如,若你想象宇宙膨胀在时间上逆行(就如反向放电影),那么它的密度和温度将不断增大,直至无限。这个无限密的点,称奇点,是物理学上的一大疑问。范氏说,“奇点告诉我们,现行理论(爱氏广义相对论)不适用于宇宙的最初时刻。”这是因为有一个所谓普朗克时期(大爆炸后10-43秒),此时,引力和其他自然力的强度大致相当。因此,要想研究奇点的物理,就必须用量子引力理论,而这种理论今日尚不存在。

  但物理学家确已提出了应用量子论于引力的构想,其中最有希望的可能是弦论。按此说,自然界的基本粒子,皆为在9维空间中振荡着的极小的"。而在这9维中,除了3维以外,其他的维皆蜷缩到比原子还小,故在我们实际生活中感知不到。这种振荡的基本模式之一,表现为一种无质量的粒子,颇似假想的携带引力的“引力子”。这也是范氏要用弦论来解决奇点问题的原因。他说,“我相信,甚早期宇宙学,是运用和检验弦论的最好地方。”

  范氏发现,弦论能在零时刻,把讨厌的奇点除去,因为弦具有尺寸。若时间逆行,宇宙虽收缩,但它不致到达零体积,故奇点不会出现。在大爆炸标准模型中,奇点就像一圈砖墙,而在弦宇宙学中则没有这样的墙,你可进入大爆炸之前的时代。

  大爆炸之前具有时间,还解决了标准模型的另一问题。若你想象,空间膨胀逆行(即收缩)到最早期(指10-43秒时刻),按广义相对论,今日可观察宇宙中的全部物质和能量将压缩到仅1毫米大小的容积之内。光从t=0t=10-43秒所跑过的路程,只有10-31毫米。空间中一个区城能通知其他区城的唯一途径,是所加的影响(或信息)需具有在区域间来回往返的时间,而任何影响的最大速度即为光速。由于早期时刻光仅跑了10-31毫米,故在1毫米大小的原始宇宙中,含有完全分隔的1093个区域,它们之间不可能有因果关系上的联系。

  问题在于今日宇宙是均匀的,这不仅在物质密度上,而且在大爆炸遗留下的辐射温度上也是如此。可是这1093个区域不相连接,那么它们之间如何取得均匀呢?

  宇宙学家无可选择,只能拼凑出一个超快膨胀相,使宇宙从一个单一的、信息上相联系的区域,“暴胀”成整个可观察宇宙。但暴胀却无法解释宇宙的均匀性,暴胀虽为放大量子起伏,变成今日宇宙中的星系密集提供了机制,但此理论具有自身的问题。例如膨胀空间(即暴胀场)的机制,欲使之运行,须极度小心地对待场的初始态,这显然板不自然。

4.2

  图为银河系外的M83星系图

  所有这些都意味着,在普朗克时期之前,具有很长的时间足以使103个区城中的密度、温度均匀化,而不需拼凑一个暴胀。

  前-大爆炸时期究竟是怎样的呢?这可从宇宙的对称性中看到线索。标准宇宙学解(弗里得曼大爆炸模型),具有一个十分简单的对称性,它们在时间逆行的情况下不变。换言之,若取负号的时间,你将获得另一个解:这个时间遵行的宇宙将收缩到一个大挤压之点,而大爆炸也始于一个密实之点。

  弦论的宇宙学解也具有相同的对称性。若令时间逆行,并同时置换宇宙的标量因子(它决定宇宙的尺寸),你将获得一个一般的膨胀宇宙,膨胀是加速的,换言之,这是一个暴胀宇宙。范氏说,“对每一个大爆炸解,它们都表明,空间从t=-∞暴胀至t=0,也即暴胀至大爆炸。”故弦论暗示出,宇宙从t=-直到l=0之前,处于加速膨胀相。刚好在t=0之后,它转变为弗里得曼大爆炸模型的更为缓慢的减速膨胀。

  现在让我们用新眼光来看大爆炸,我们是处在从暴胀转变为膨胀的时期。范氏说,“在大爆炸开始时,宇宙具有最大的曲率、最大的膨胀率和最高的温度。

  从大爆炸中涌现出的、并非是一个(时空)开始,而是宇宙历史的一个转折点。”对范氏的看法,有的支持,有的反对。密歇根大学的物理学家开恩说,“我想,很可能大爆炸实际上是宇宙最近的一个阶段。弦论的一个大优点是,前-大爆炸时代具有一种:自动暴胀的性质,有足够的暴胀时间去均匀宇宙中的密度和温度。但对前-大爆炸时期空间演化的描述,仅是事情的一半。我们还需知悉,宇宙从何种状态演化?即其初始条件是什么?它在t=-∞时是什么模样?

  大家知道,晶体中原子排列得较奇怪,但它是从十分无定形的、远非奇怪的液态演化而来。范氏说,“同样地,宇宙也是从最简单、最一般的态演化而来。”

  那么宇宙最简单的状态又是怎样?按范氏之见,那是无限的、真空的、寒冷和扁平的。所谓扁平,这是说空间曲率很小。范氏和其同事们把这种状态称之“过去渐近平凡性”。

  范氏和盖斯柏立宁过去几年来一直指出,在宇宙膨胀到接近t=0时,时空曲率日益增大,这导致了温度和能量密度的急剧增大。在零时刻后的一瞬间,在一个毫米尺度的3维区域内的巨大膨胀,看上去颇似标准暴胀理论中的超密、超热那一幕。

  当然,任何理论要存活下去,必须提供今日所见的物质粒子。诸如电子、正电子和光子,因空间几何上的起伏,它们魔术般地从虚无中进入存在,这是量子机制的作用,就如在强电场中,能产生电子-正电子对,急变的引力场会导致全部粒子的量子产生。更有甚者,创生的粒子还带有很大的动能,这使得宇宙逐渐变热。范氏说,“这与标准模型不同,在该模型中,暴胀之后才产生粒子并热起来。”

  关于前-大爆炸时代的情景,这几乎跟科幻一样,所不同的是,它提出了几个可供测试的预言,这些都跟标准暴胀论不同。若范氏正确,那么宇宙中应充满引力波的混沌海洋。这是从平凡的过去留下来的。这些引力波很微弱,使用现在的探测器,观测到它们的可能性不大,但范氏认为,第三代的探测器,应能看到这些引力波背景。

  前-大爆炸的效应,在宇宙微波背景中应能看到。范氏推测说,在微波背景的幂谱中,其不同角度的峰值位置,跟标准理论作一比较,就可得知结果。美国发射的MAP卫星(计划于200011月升空)和报于2007年发射的欧洲普朗克探测器,都可进行这种测试。

  前-大爆炸概念仍有问题,把宇宙的开始换以更早时期,许多人可能指责范氏过于简单,因为他没有更多地解释。范氏辩解说,这对他太苛刻了。他说,“在前大爆炸理论中,起始(指t=0)仍具有意义,但它更为平凡和自然,没有像大爆炸论中那样特殊。

  我相信,这对标准大爆炸模型是一个重大的改进。

  在t=0时发生了什么?前大爆炸时代的加速膨胀怎么在此时天衣无缝地转变为更为平和的膨胀?还有不少问题迄今尚不清楚。但范氏说,“我们已砸碎了一座墙(指奇点)。我们要想知道大爆炸前究竟是什么模样,这已不再是禁忌了。”

  [New Scientist200063]