通过研究时空模型的几何形状，研究人员提出了关于宇宙最初时刻的全新观点。
大约138亿年前，整个宇宙由一个微小、炽热、致密的能量球组成。它在某一瞬间突然爆炸。
根据创建于20世纪20年代的经典大爆炸理论，一切都从这里开始。这一理论在过去的几十年里得到了完善，特别是在20世纪80年代，许多宇宙学家提出，宇宙在最初的瞬间经历了一个称为暴胀的快速膨胀期，然后才过渡到平稳的状态。
这段短暂的时间被认为是由一种特殊形式的高能物质引起的，这种物质使引力反转，使宇宙结构以指数级的速度膨胀，在不到10-27秒的时间里膨胀了1024倍。暴胀给出了宇宙在大尺度上显得如此平滑和均匀的原因。
但是，如果暴胀是今天所能看到的一切事物的源头，那么随之而来的一个问题是：是否有什么是在暴胀前先发生的？
目前还没有人设计出能够观察暴胀之前发生了什么的实验。然而，数学家可以通过将爱因斯坦的广义相对论——一种将引力等同于时空曲率的理论——应用到尽可能接近最初的时刻，来勾勒出一些可能的情景。
三位研究人员目前正为此努力：圆周理论物理研究所的加扎尔·格什尼兹贾尼（Ghazal Geshnizjani）、哥本哈根大学的埃里克·凌（Eric Ling）和滑铁卢大学的杰罗姆·昆廷（Jerome Quintin）。这三位科学家最近在《高能物理杂志》（Journal of High Energy Physics）上发表了一篇论文，凌在其中提到：“我们从数学上证明，或许有一种方法可以看到宇宙之外的东西。”
没有参与这项研究的麦吉尔大学物理学家罗伯特·勃兰登堡（Robert Brandenberger）指出，这篇新论文为分析时间开始时的数学模型“设定了一个严格的新标准”。在某些情况下，宇宙诞生时的奇点——时空中的一个没有数学表述意义的点——实际上可能只是一个幻觉。
奇点分类法
格什尼兹贾尼、凌和昆廷面临的核心问题是，在暴胀之前是否存在一个时间点，万有引力定律会在奇点中崩溃。数学奇点最简单的例子是当x接近零时，函数1/x发生的现象。该函数将数x作为输入，并输出另一个数。随着x越来越小，1/x越来越大，接近无穷大。如果x为零，那么这个函数就不能被很好地定义，即无法作为对现实的描述。
然而，有时数学家可以绕过一个奇点。例如，考虑本初子午线，它在经度为0处穿过英格兰的格林尼治。如果你有一个1/经度的函数，它会在格林尼治处崩溃。但实际上，伦敦市郊在物理上并没有什么特别之处：你可以很轻易地重新定义地球上的其他地方为零经度，这样当你接近格林尼治的皇家天文台时，你的函数就可以正常运行。
类似的事情发生在黑洞数学模型的边界条件上。描述球形非转动黑洞的方程，由物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）在1916年提出。方程在黑洞的视界（没有任何东西可以逃逸的黑洞表面）上有一个分母为零的项。这使得物理学家相信视界是一个物理奇点。但8年后，天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）指出，如果使用不同的坐标系，奇点就会消失。和本初子午线一样，事件视界是一种错觉：它是一种称为坐标奇点的数学伪像，只会因为坐标的选择而出现。
相反，在黑洞的中心，密度和曲率以一种无法用不同坐标系消除奇点的方式趋于无穷大。广义相对论的理论不再生效。这里被叫作曲率奇点。这意味着发生了一些超出当前物理和数学理论描述能力的事情。
加扎尔·格什尼兹贾尼与埃里克·凌、杰罗姆·昆廷合作，研究了时空扩展到大爆炸之前的可能方式
埃里克·凌表示，通过数学或许可以看到宇宙之外的东西
杰罗姆·昆廷说，光线实际上可以穿过边界
格什尼兹贾尼、凌和昆廷对于大爆炸的开始时刻是更像黑洞中心还是更像事件视界进行了研究。他们的研究建立在2003年由阿尔温德·博尔德（Arvind Borde）、阿兰·古斯（Alan Guth，最早提出暴胀观点的人之一）和亚历山大·维伦金（Alexander Vilenkin）证明的定理基础上。这个缩写为BGV的定理指出，暴胀一定有一个开端——它不可能向过去无限延伸。一定存在一个奇点拉开序幕。BGV确定了这个奇点的存在，但并没有说它是什么样的奇点。
正如昆廷所说，他和同事们一直在试图弄清楚，这个奇点是一堵砖墙，即曲率奇点，还是可以拉回的帷幕，即坐标奇点。艾伯塔大学的数学家埃里克·伍尔加（Eric Woolgar）虽然没有参与这项研究，但他认为，这澄清了我们对宇宙大爆炸奇点的看法。“这可以告诉我们，在初始奇点处曲率是无限的，还是更温和的。如果是后者，那么我们可能可以将宇宙模型扩展到大爆炸之前的时间。”
为了对暴胀之前的可能情景进行分类，三位研究人员使用了一个称为比例因子的参数，这一参数告诉我们随着宇宙膨胀，物体之间的距离是如何随时间变化的。根据定义，宇宙大爆炸是比例因子为零的时刻——一切都被压缩到一个无量纲的点上。
在暴胀期间，比例因子以指数速度增加。在暴胀之前，比例因子可能有多种变化。新的论文为不同的比例因子场景提供了奇点的各种分类类型。“我们证明，在某些条件下，比例因子会产生曲率奇点，而在其他条件下则不会。”凌说。
研究人员已经知道，在一个拥有所谓暗能量但没有物质的宇宙中，BGV定理中确定的暴胀起点是一个可以消除的坐标奇点。但真正的宇宙当然是有物质的。数学技巧是否也能帮助我们绕过这一奇点？研究人员指出，如果物质的数量与暗能量的数量相比可以忽略不计，那么奇点就可以消除。“光线实际上可以穿过边界。”昆廷说，“从这个意义上说，你可以看到边界之外的东西。它并不像一堵砖墙。”宇宙的历史可以延伸到宇宙大爆炸之外。
然而，宇宙学家认为早期的宇宙物质多于能量。在这种情况下，新的工作表明，BGV奇点将是一个真正的物理曲率奇点，在这个奇点上，万有引力定律不再有意义。
奇点暗示了这样一个事实：广义相对论不能完全描述物理学的基本规则。要想真正完备地描述宇宙，需要将广义相对论和量子力学融合。凌说，他把这篇新论文看作这一理论的跳板。为了能在最高的能级上理解宇宙，“我们首先需要尽可能地理解经典物理学”。
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资料来源Quanta Magazine
