如果沒有宇宙大爆炸，我們生活在一個不斷循環(huán)的宇宙中會怎樣？

你可能會認為宇宙是從大爆炸開始的。十年前，我也是這么想的。但后來我意識到這個問題還遠遠沒有解決。在宇宙開始之前發(fā)生了什么？令人震驚的答案可能是，從來沒有發(fā)生過大爆炸，而是一個沒有開始或結(jié)束的宇宙，反復(fù)地從收縮到擴張，然后又回來。

20世紀20年代，俄羅斯物理學(xué)家亞歷山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)和比利時牧師兼天文學(xué)家喬治·勒馬特(George Lema?tre)獨立提出宇宙正在膨脹。弗里德曼在時間上向后推演，它應(yīng)該從一個小的“原始原子”開始。當(dāng)埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)根據(jù)他對遙遠星系運動的觀察，提供了支持宇宙膨脹的令人信服的經(jīng)驗證據(jù)時，這個問題就解決了。膨脹理論暗示著，我們今天看到的寒冷、廣闊的宇宙曾經(jīng)是一個微小的、熱的空間。假設(shè)適用相同的法則，繼續(xù)往后推演，熱的空間縮小到含有超高濃度能量的精確點。這種假想的狀態(tài)被稱為大爆炸。但是沒有證據(jù)表明這種簡單的推演是有效的，也沒有證據(jù)表明宇宙就是這樣開始的。然而，它已經(jīng)成為標(biāo)準的觀點，如此根深蒂固，以至于我們中的許多人在孩提時代就像我一樣了解到了這一點。

有一個很好的理由對這種推演持懷疑態(tài)度，那就是與量子理論有關(guān)。當(dāng)大爆炸進入流行詞典時，管理亞原子領(lǐng)域的規(guī)則非常清楚，盡管非常奇怪。除此之外，他們還說，只要粒子不停留太久，粒子可以隨時出現(xiàn)或消失。這種持續(xù)不斷的出現(xiàn)或消失在像大爆炸這樣的小尺度上是很重要的，那時宇宙的大小只有一個精確點那么大。無論這個空間里包含的是什么，能量都會不斷地隨機波動，所以隨著空間的擴大，這些差異本應(yīng)被分散開來，導(dǎo)致宇宙不同部分的能量數(shù)量出現(xiàn)巨大的不平衡。但事實是這樣的：我們沒有看到這種不平衡。

盡管宇宙中的物質(zhì)隨機聚集在一起，我們稱之為星系，但當(dāng)我們在最大的尺度上觀察宇宙時，所有形式的物質(zhì)在空間中的分布都是非常平滑的。這種一致性需要一個解釋。此外，大爆炸時的那些相同的量子漲落應(yīng)該會導(dǎo)致空間扭曲。當(dāng)宇宙膨脹時，這些變形也會膨脹，并會在穿越宇宙的光路上產(chǎn)生瘋狂的扭曲。然而天文學(xué)家看不到這些扭曲的痕跡。

在20世紀80年代早期，理論物理學(xué)家艾倫·古斯（Alan Guth），安德烈·林德（Andrei Linde），安德烈亞斯·阿爾布雷特（Andreas Albrecht）和保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）提出了一個旨在解決大爆炸理論問題的想法。他們提出，在大爆炸后不久，宇宙經(jīng)歷了一個短暫的極度快速擴張的時代，即所謂的膨脹。他們的概念是，膨脹會如此迅速地伸展宇宙，以至于時空結(jié)構(gòu)中的任何曲折、曲線和扭曲都會被熨平，所有物質(zhì)的分布都會變得平滑。

但膨脹本身也會帶來問題。例如，它需要一個假設(shè)場，稱為膨脹場。這需要在恰到好處的時間和恰到好處的力量打開-并且隨著時間的推移保持幾乎不變-以便解釋宇宙的平滑性。在大爆炸情景中，這不可能發(fā)生，因為由于大的量子波動，膨脹場的強度在不同的空間區(qū)域會不同。因此，它更有可能沒有膨脹或者不足以來平滑宇宙，或者膨脹會導(dǎo)致一個與我們觀察到的宇宙不同的宇宙。

更重要的是，在存在大量膨脹的地方，那些同樣麻煩的量子波動占據(jù)了主導(dǎo)地位，并阻止了膨脹的結(jié)束，也許只有少數(shù)幾個罕見的空間例外。在這些地區(qū)，宇宙學(xué)性質(zhì)是隨機和不可預(yù)測的。我們看到的不是均勻的宇宙，而是膨脹的結(jié)果是空間最終被劃分成無限多個具有無限不同性質(zhì)的斑塊。這種無法控制的多樣性被稱為膨脹的多元宇宙，它是一個集合，其中任何數(shù)量的不同宇宙都是可能的。

“宇宙膨脹的當(dāng)前階段將結(jié)束，它將進入一個新的收縮階段”

今天大多數(shù)宇宙學(xué)家和天體物理學(xué)家傾向于忽略這些問題。但是自從部分科學(xué)家聽說這些問題，就無法忽視它們。最初的計劃是探索解決膨脹的方法，但后來發(fā)生了一些事情，改變了想法。

位于阿塔卡馬沙漠的西蒙斯天文臺將搜尋原始引力波

同樣是由于量子漲落，膨脹的一個普遍特征是，無論在哪里膨脹結(jié)束，時空結(jié)構(gòu)中都應(yīng)該有小的扭曲，這種扭曲會演變成一種被稱為原始引力波的奇怪現(xiàn)象。這些不同于2015年LIGO合作發(fā)現(xiàn)的時空漣漪，后者通常是由黑洞碰撞產(chǎn)生的。原始引力波的波長要大得多-如此之大以至于檢測它們的唯一方法就是通過它們在宇宙微波背景輻射上的印記。這種輻射模式有時被稱為宇宙的嬰兒圖片，因為它提供了宇宙在大約40萬歲左右的樣子的圖像。這聽起來可能很古老，但如果應(yīng)用到人類生活中，它就相當(dāng)于一天大的嬰兒的照片。

歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星長期以來一直在詳盡地繪制這種輻射的地圖，目的是尋找原始引力波的證據(jù)。但在2013年，它背后的研究人員宣布，他們未能在預(yù)期的水平上找到它們。當(dāng)聽到這個消息時，科學(xué)家意識到這意味著最簡單的膨脹理論版本被消除了。部分人覺得作為對大爆炸后發(fā)生的事情的簡單解釋，膨脹理論正在失去吸引力，探索一種不同的宇宙學(xué)方法。

安娜·伊賈斯（Anna Ijjas）決定追求的想法最早是由共同提出膨脹理論的的同一個斯坦哈特提出的。他指出，除了大爆炸之外，還有一種合乎邏輯的替代方案。這可能是我們的宇宙開始時不是從無到有，而是在以前的宇宙慢慢收縮到一小片空間之后，然后反彈，于是它開始膨脹，就像我們今天觀察到的那樣。

這種情況的主要吸引力在于反彈前的長期超緩慢收縮。就像膨脹需要一種特殊形式的能量(膨脹場)來驅(qū)動快速膨脹一樣，超慢收縮需要一種特殊形式的能量，這種能量會施加極高的壓力。高壓通過抵抗壓縮來減緩收縮，同時，傾向于消除能量分布和時空結(jié)構(gòu)中的任何不規(guī)則性。但是，與膨脹階段不同的是，緩慢收縮階段不需要特殊的啟動條件。它可以各種方式被觸發(fā)，例如，通過衰減暗能量。

還有另一個好處：在一個緩慢收縮、寒冷的宇宙中，量子漲落在任何時候都很小。這意味著反彈場景的結(jié)果是確定的，不像在膨脹期間由狂野的量子漲落產(chǎn)生的混亂的多元宇宙。

該場景中缺少的證據(jù)表明，具有這些屬性的反彈實際上是可能的。去年，安娜·伊賈斯發(fā)表了第一篇關(guān)于反彈是如何發(fā)生的理論描述。簡而言之，他描述了一種假定的能量來源，它能在宇宙收縮到量子引力效應(yīng)重要的點之前，停止收縮，并順利地將其逆轉(zhuǎn)為膨脹。從這樣的反彈中出現(xiàn)的宇宙將具有我們觀察到的能量的平滑分布和平坦的未扭曲的時空幾何。

“我們可能生活在一個循環(huán)的宇宙中，每隔1000億年左右就會反彈一次。”

安娜·伊賈斯與普林斯頓大學(xué)的斯坦哈特和弗朗斯·普里托里厄斯（Frans Pretorius）一起，對宇宙的演化進行建模，以尋找收縮和反彈過程的新穎獨特特征。一種預(yù)測是超慢收縮不會產(chǎn)生可檢測到的原始引力波。這與普朗克數(shù)據(jù)和隨后的觀測結(jié)果是一致的。

更敏感的實驗正在建設(shè)中，例如位于智利阿塔卡馬沙漠的西蒙斯天文臺和日本航天局將在十年內(nèi)發(fā)射的LiteBIRD衛(wèi)星。如果他們檢測到原始引力波，那么緩慢收縮的想法肯定是錯誤的。伊賈斯經(jīng)常被問到是否擔(dān)心這個想法可能會被一次實驗所消除。但對伊賈斯來說，這才是真正的科學(xué)。

然而，如果我們確實看到反彈的跡象，其影響將是深遠的。這個概念的自然延伸是，我們可以生活在一個循環(huán)的宇宙中，每隔1000億年左右發(fā)生反彈。

甚至可以想象一個沒有開始或結(jié)束的循環(huán)宇宙。每一個超慢收縮周期都會抹去之前周期的任何細節(jié)，并在與之前周期相同的條件下將宇宙帶到彈力點。因此，在每個周期中，宇宙的所有特征平均都是相同的，包括溫度，暗物質(zhì)，普通物質(zhì)和暗能量的濃度，以及可觀察到的恒星和星系的數(shù)量。換句話說，如果你在我們之前的周期中生活在像地球這樣的行星上，你會觀察到與我們大致相同的宇宙基本屬性。

這反過來導(dǎo)致了一個戲劇性的預(yù)測：宇宙膨脹速率緩慢加速的當(dāng)前階段將結(jié)束，宇宙將進入一個新的收縮階段。然后，它將走向新的反彈和新的擴張階段。因此，驅(qū)動當(dāng)前加速膨脹的暗能量必須衰減消失，這可能會在未來的實驗中檢測到。

這一點，加上對原始引力波的研究，意味著我們可能很快就有可能知道宇宙是否真的是從一次爆炸開始的。