宇宙大爆炸之前是什么？

宇宙從何而來(lái)？大爆炸之前是什么？這些都屬于科學(xué)問(wèn)題嗎？宇宙有所謂的“輪回”嗎？

《天問(wèn)》專欄第七期，為你深度解讀天文學(xué)家如何解開宇宙起源之謎。

太古之初，一位名叫盤古的沉睡巨人緩緩睜開雙眼。他發(fā)現(xiàn)周圍一片漆黑，于是一斧頭劈開了這片混沌，從此便有了天地。盤古死后，他的身體逐漸演化成日月星辰、世界萬(wàn)物……這是我們兒時(shí)都聽過(guò)的美麗傳說(shuō)。

有趣的是，在由真實(shí)的科學(xué)理論構(gòu)建起來(lái)的現(xiàn)代宇宙學(xué)中，宇宙的演化歷史竟與盤古開天辟地的神話有著諸多巧合。只不過(guò)，“開天地”的主角由盤古變成了一場(chǎng)大爆炸。

熱大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)是基于20世紀(jì)40年代伽莫夫（George Gamow，1904 - 1968）等人的原初核合成理論（Big Bang nucleosynthesis）研究發(fā)展出來(lái)的。根據(jù)這個(gè)理論模型（圖1），我們的宇宙創(chuàng)生于大約138億年前的一次時(shí)空奇點(diǎn)大爆炸。

在漫長(zhǎng)歲月的洗禮下，它從極高溫的混沌狀態(tài)開始演變，逐漸孕育出基本粒子、核子，然后經(jīng)過(guò)原初核合成產(chǎn)生氫、氦的原子核；之后約38萬(wàn)年，宇宙中形成了穩(wěn)定的中性氫原子與早期的宇宙微波背景輻射（CMB）；接著，在原初密度漲落的影響下，由宏觀物質(zhì)構(gòu)建起來(lái)的大尺度結(jié)構(gòu)漸成雛形；直到宇宙4億歲時(shí)，第一代恒星終于誕生，而最早的星系和類星體則出現(xiàn)在大爆炸后約10億年。從那以后，由星系和星系團(tuán)等構(gòu)成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)開始形成……

最終，我們的宇宙演化到當(dāng)前由暗能量驅(qū)動(dòng)的加速膨脹狀態(tài)。 

?圖1：熱大爆炸宇宙學(xué)，圖片來(lái)源：NASA/WMAP Science Team （https://map.gsfc.nasa.gov/media/060915/index.html）

在宇宙學(xué)家眼中，熱大爆炸宇宙學(xué)已是一個(gè)美麗絕倫的故事，它以最簡(jiǎn)單、最樸實(shí)無(wú)華卻又充滿想象力的藝術(shù)圖像刻畫了我們宇宙足足138億年的歷史?？墒?，故事的開端——大爆炸奇點(diǎn)真的存在嗎？大爆炸之前的宇宙又是何種模樣？ 

?圖2：宇宙源自時(shí)空奇點(diǎn)？圖片來(lái)源：金莊維

追求邏輯合理性與數(shù)學(xué)自洽性的物理學(xué)家很難理解為何整個(gè)宇宙來(lái)自于一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)（圖2），因?yàn)樵谶@個(gè)奇點(diǎn)上，所有的物理參量——例如能量密度、曲率、溫度——都是無(wú)窮大的，而無(wú)窮大發(fā)散在數(shù)學(xué)上的描述是不自洽的。這么看來(lái)，困擾大家的宇宙起源問(wèn)題好像更靠近哲學(xué)范疇。

為了解決這一理論疑難，宇宙學(xué)家們針對(duì)大爆炸奇點(diǎn)的物理本性做了大量研究。這段歷史可以追溯到80多年前，廣義相對(duì)論剛剛誕生的時(shí)候。

?被奇點(diǎn)詛咒的“孩子”——振蕩宇宙

?圖3：振蕩宇宙，圖片來(lái)源：金莊維

20世紀(jì)30年代，一群研究愛因斯坦引力理論的狂熱分子們給出了各種各樣的宇宙學(xué)解（cosmological solutions），來(lái)描繪各種可能的宇宙演化過(guò)程。其中，美國(guó)引力學(xué)家理查德·托爾曼（Richard C. Tolman）指出，宇宙有可能是振蕩的，它在演化過(guò)程中不斷經(jīng)歷收縮 → 膨脹 → 再收縮 → 再膨脹地過(guò)程（圖3）。

然而，托爾曼在1934年的研究表明，由于熱力學(xué)第二定律要求一個(gè)閉合的物理系統(tǒng)只能容許熵增長(zhǎng)，因此振蕩的周期會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。根據(jù)時(shí)間反演倒推回過(guò)去，隨著振蕩周期越來(lái)越短，宇宙的最終起點(diǎn)依然是大爆炸奇點(diǎn)。

因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題的存在，再加上熱大爆炸宇宙學(xué)和暴脹學(xué)說(shuō)在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)所取得的巨大成功，宇宙學(xué)界對(duì)振蕩宇宙的研究興趣在上世紀(jì)80年代逐漸淡薄。

?見與不見，就在那里——火劫模型

在有關(guān)振蕩宇宙的研究艱難前行的同時(shí)，一些理論學(xué)家也在長(zhǎng)年追隨著愛因斯坦晚年提出的物理學(xué)終極夢(mèng)想——大統(tǒng)一理論。其中，一類被稱為弦論的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)逐漸盛行，特別是愛德華·威滕（Edward Witten）在1995年的一次弦論會(huì)議中提出的M理論。

M理論認(rèn)為，空間不只是我們所熟悉的三維，還有更高的維度，只不過(guò)這些額外的空間維度都被卷曲了。在更高維度的時(shí)空下，我們的宇宙空間完全可以被看成一張三維的膜。

?圖4：膜宇宙的碰撞與遠(yuǎn)離，圖片來(lái)源：Astronomy Magazine （http://wwwphy.princeton.edu/~steinh/cycliccosmology.html）

受這個(gè)瘋狂觀點(diǎn)的啟發(fā)，普林斯頓大學(xué)的保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和劍橋大學(xué)的尼爾·特洛克（Neil Turok）在2001年提出了一個(gè)新的循環(huán)宇宙模型：我們的膜宇宙會(huì)跟另一個(gè)幾乎平行的膜宇宙在更高的時(shí)空維度上發(fā)生周期性碰撞（圖4）。

在三維空間看來(lái)，每一次碰撞就是一次大爆炸，它創(chuàng)生了真實(shí)可見的世界。在這之后，膜宇宙會(huì)在遠(yuǎn)離對(duì)方的演化過(guò)程中，通過(guò)暗能量所驅(qū)動(dòng)的加速膨脹過(guò)程將過(guò)去的印跡洗刷干凈，留下極為平坦的膜，為下一次碰撞做準(zhǔn)備。由于在這個(gè)模型中，宇宙創(chuàng)生是周期性的，如同鳳凰涅磐之后火劫重生，因此提出者將其命名為火劫模型（ekpyrotic model）。

?弱水三千，只取一瓢飲——反彈學(xué)說(shuō)

客觀地說(shuō)，從一開始對(duì)大爆炸時(shí)空奇點(diǎn)束手無(wú)策到周而復(fù)始、無(wú)始無(wú)終的火劫模型，物理學(xué)家們?nèi)〉昧瞬恍〉睦碚撨M(jìn)展。但這個(gè)模型畢竟只是一個(gè)假說(shuō)，它面臨著兩大問(wèn)題：一是如何利用合理的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)精確刻畫這個(gè)模型；二是這個(gè)模型如何真實(shí)地刻畫我們的宇宙，并解釋在這個(gè)宇宙中所發(fā)生的一切，特別是我們?nèi)祟愃^測(cè)到的一切。

?圖5：反彈宇宙，圖片來(lái)源：蔡一夫

為了回答這些問(wèn)題，宇宙學(xué)家們先將目光集中到只發(fā)生一次收縮和膨脹過(guò)程的宇宙學(xué)圖像，并稱之為反彈學(xué)說(shuō)（圖5）。

在構(gòu)造這一圖像的理論模型中，頗具代表性的有加拿大麥吉爾大學(xué)的羅伯特·布蘭登伯格（Robert Brandenberger）教授與英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)的大衛(wèi)·沃茲（David Wands）分別獨(dú)立提出的物質(zhì)反彈模型（宇宙在收縮時(shí)期以物質(zhì)為主）以及本文作者蔡一夫在攻讀博士期間與導(dǎo)師張新民教授提出的精靈反彈模型（宇宙演化可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)方程越過(guò)-1的精靈動(dòng)力學(xué)行為）等。

這些模型都可以解決熱大爆炸宇宙學(xué)所面臨的初始條件疑難。在這類模型中，大爆炸前的宇宙處于一個(gè)收縮過(guò)程，體積越來(lái)越小，直到某一時(shí)刻，宇宙收縮到了一個(gè)臨界的極小值，然后反彈進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的熱大爆炸膨脹階段。

反彈學(xué)說(shuō)不僅很好地繼承了熱大爆炸宇宙學(xué)所取得的累累碩果，更讓我們避免了那個(gè)會(huì)讓所有物理理論失效的時(shí)空奇點(diǎn)，從而推動(dòng)了熱大爆炸宇宙論更進(jìn)一步的理論發(fā)展。

?彼岸花開——反彈宇宙學(xué)擾動(dòng)理論

如果說(shuō)反彈學(xué)說(shuō)有可能為我們解決宇宙創(chuàng)生那一刻的大爆炸奇點(diǎn)問(wèn)題，那么接下來(lái)我們面對(duì)的就是如何證明宇宙曾經(jīng)歷過(guò)一段收縮過(guò)程。為此，我們需要研究在這個(gè)收縮演化期間，有哪些蛛絲馬跡可能穿越反彈的過(guò)程而遺留至今。

?圖6：量子漲落播下宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的種子，圖片來(lái)源：金莊維

幸運(yùn)的是，無(wú)論宇宙在極早期經(jīng)歷過(guò)何種演化狀態(tài)，微觀世界的量子漲落總會(huì)存在。這些量子漲落一旦被拉伸到了宏觀尺度上，形成所謂的原初密度擾動(dòng)，就將為后來(lái)宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)的形成提供最原始的種子。

換句話說(shuō)，我們今天看到的CMB溫度漲落，宇宙中豐富多彩的結(jié)構(gòu)：星系、恒星、地球乃至我們自己，都是從宇宙嬰兒期的量子漲落演化而來(lái)的（圖6）。因此，通過(guò)研究反彈學(xué)說(shuō)中的原初擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)，將理論預(yù)言與CMB、大尺度結(jié)構(gòu)巡天等宇宙學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，我們就有一線希望來(lái)認(rèn)知和檢驗(yàn)反彈學(xué)說(shuō)。這就是筆者耕耘多年的反彈宇宙學(xué)擾動(dòng)理論。

?原初引力波實(shí)驗(yàn)：“真相只有一個(gè)！”

回到最初始的問(wèn)題：宇宙到底是來(lái)自大爆炸時(shí)空奇點(diǎn)，還是從收縮過(guò)程反彈而來(lái)？對(duì)于這些問(wèn)題，學(xué)界眾說(shuō)紛紜，至今尚無(wú)定論。但這也吸引了越來(lái)越多的宇宙學(xué)家進(jìn)行思考。

其中一個(gè)至關(guān)重要的任務(wù)就是：通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)來(lái)進(jìn)行“考古發(fā)掘”。根據(jù)宇宙學(xué)擾動(dòng)理論可以得知，不同的極早期宇宙模型給出的理論預(yù)言在原初密度擾動(dòng)和原初引力波上會(huì)存在差異。原初引力波是宇宙在極早期所產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，由于產(chǎn)生時(shí)期極早，通過(guò)宇宙膨脹所帶來(lái)的紅移效應(yīng)，它的波長(zhǎng)往往會(huì)被拉扯得極大，可以跨越整個(gè)可觀測(cè)宇宙的尺度大小。

因此，這類引力波信號(hào)是無(wú)法用通常的光學(xué)干涉方法來(lái)探測(cè)。幸運(yùn)的是，我們的宇宙在大爆炸之后約38萬(wàn)年時(shí)，為自己拍了一張自拍照，也就是CMB。而原初引力波的信號(hào)正好可以通過(guò)對(duì)CMB的高精度測(cè)量來(lái)加以檢驗(yàn)。

物理學(xué)家通過(guò)對(duì)CMB的研究發(fā)現(xiàn)，這些光子不僅攜帶著黑體譜和溫度漲落的信息，還會(huì)有偏振狀態(tài)——那是由光子與電子的湯姆森散射所形成的。如果我們觀察CMB天圖中不同光子攜帶的偏振信息，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們形成了兩種截然不同的圖樣：電場(chǎng)型的E-模式和磁場(chǎng)型的B-模式。我們可以通過(guò)對(duì)CMB光子的偏振狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)尋找這些偏振信號(hào)。

?圖7：CMB全天圖：從COBE到Planck，圖片來(lái)源：蔡一夫

宇宙學(xué)家在研究CMB的偏振漲落時(shí)發(fā)現(xiàn)，原初宇宙中的張量擾動(dòng)（即原初引力波）可以直接導(dǎo)致CMB擁有B-模式的偏振信號(hào)。宇宙學(xué)家曾試圖利用WMAP、Planck等衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)將近15年的數(shù)據(jù)來(lái)重構(gòu)出原初擾動(dòng)、甚至原初宇宙的模樣（圖7）。但遺憾的是，截止到目前原初引力波還沒(méi)有被觀測(cè)到。

雖然對(duì)原初引力波的探索陰影重重，但宇宙學(xué)家們依然不懈努力，去苦苦搜尋那些寶貴的原初B-模偏振信號(hào)。由于衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)造價(jià)高昂，且運(yùn)行壽命和搭載能力都在不同程度上受到了技術(shù)的約束，因此，近年來(lái)研究人員轉(zhuǎn)向性價(jià)比更高、維持運(yùn)行更長(zhǎng)期更穩(wěn)定的地面CMB觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

迄今為止已經(jīng)建造和正在規(guī)劃中的地面CMB觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，集中在智利天文臺(tái)和美國(guó)南極極點(diǎn)科考站。在北半球，這仍是一塊空白。

為了推進(jìn)中國(guó)宇宙學(xué)在CMB領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究，中國(guó)科學(xué)院高能所的宇宙學(xué)團(tuán)隊(duì)牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多所頂級(jí)宇宙學(xué)研究單位，正在我國(guó)西藏阿里地區(qū)建造北半球首個(gè)CMB極化望遠(yuǎn)鏡，即阿里原初引力波望遠(yuǎn)鏡（AliCPT，圖8）。

該項(xiàng)目計(jì)劃2020年在阿里天文臺(tái)海拔5250米處建成阿里一號(hào)望遠(yuǎn)鏡并開始觀測(cè)，在北天區(qū)率先實(shí)現(xiàn)對(duì)原初引力波的探測(cè)，并計(jì)劃通過(guò)CMB偏振旋轉(zhuǎn)角的測(cè)量來(lái)檢驗(yàn)物理學(xué)中的基本對(duì)稱性——電荷共軛（C）- 宇稱（P）- 時(shí)間反演（T）不變性。與此同時(shí)，阿里計(jì)劃還會(huì)與南半球的CMB實(shí)驗(yàn)合作，形成一南一北，對(duì)原初引力波觀測(cè)進(jìn)行全天區(qū)覆蓋。

?圖8：阿里原初引力波望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址，圖片來(lái)源：阿里團(tuán)隊(duì)

撥開世間喧囂，追尋歲月靜好。童年的夢(mèng)想中我們有多少次探尋過(guò)，寥廓的深邃星空、無(wú)窮的自然真理、宇宙的歷史……還有它背后的奧秘。而人類對(duì)這一切的苦苦求索，只不過(guò)源自那未曾忘卻的兒時(shí)仰望星空時(shí)的那顆初心。

◎參考文獻(xiàn)：

1.“科普文引發(fā)頂尖物理學(xué)家論戰(zhàn)，宇宙有沒(méi)有經(jīng)歷暴脹？”，翻譯：蔡一夫、李春龍，編輯：金莊維，《環(huán)球科學(xué)》（http://www.huanqiukexue.com/a/qianyan/tianwen__wuli/2017/0522/27283.html）

2.“Cyclic model”, https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclic_model

3.“Exploring Bouncing Cosmologies with Cosmological Surveys”, Yi-Fu Cai, Sci.China Phys.Mech.Astron. 57 (2014) 1414-1430, [arXiv:1405.1369 [hep-th]].

4.“Probing the origin of our universe through primordial gravitational waves by Ali CMB project”, Yi-Fu Cai, XinMin Zhang, Sci.China Phys.Mech.Astron. 59 (2016) no.7, 670431 [arXiv:1605.01840 [astro-ph.IM]].

5.“Tibet's Ali: A New Window to Detect the CMB Polarization”, Yong-Ping Li, Yang Liu, Si-Yu Li, Hong Li, Xinmin Zhang, arXiv:1709.09053 [astro-ph.IM].

◎作者簡(jiǎn)介：

·蔡一夫，中國(guó)科技大學(xué)天文學(xué)系教授。2005年畢業(yè)于中科大少年班。2010年于中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所獲得理學(xué)博士學(xué)位，2015年5月通過(guò)入選第十一批“千人計(jì)劃”青年人才引進(jìn)回國(guó)。研究領(lǐng)域：粒子宇宙學(xué)，集中在暴脹宇宙、反彈宇宙、宇宙起源問(wèn)題、大尺度結(jié)構(gòu)的早期形成以及當(dāng)前宇宙加速膨脹等課題。

·金莊維，北京大學(xué)物理學(xué)院博士，研究方向：宇宙學(xué)，現(xiàn)就職于《環(huán)球科學(xué)》雜志社。（文/蔡一夫 金莊維）