宇宙誕生的瞬間究竟發生了什么？

陳壯叔

2014年3月17日，新華社發出一條醒目的報道，稱美國航空航天局設在南極的BICEP2望遠鏡找到了理論所預言的、宇宙大爆炸在宇宙微波背景上留下的痕跡（指引力波）。

按現今流行的宇宙大爆炸理論，在宇宙剛出生的10-35秒發生了暴脹，到10-32秒時，宇宙空間瞬間擴大了1025倍。理論家說，在暴脹結束時必將產生引力波，這是一種空間的波紋，也是愛因斯坦廣義相對論的一個重要預言。光子碰到引力波時將產生偏振，而BICEP2望遠鏡探測到的，正是這一偏振的圖譜。

許多讀者都為科技如此神速的進步而驚訝。宇宙誕生的瞬間都能被科學家找到，那么更進一步，我們是否可以探知宇宙從奇點中突然出現的那一幕呢？其實，早在10多年前，科學家就已經開始探索這一神秘的時刻了。

宇宙究竟是如何從一個極密實、極高溫的奇點中爆發而出的呢？科學家把時間一直回溯到普朗克時期，即宇宙誕生后10-43秒（普朗克時間，在量子論中，這就是時間的最小單元，不能

再做分割）的那個瞬間。此時，其物質密度約為5×1096千克/ 立方米，且存在著所謂的偶爾相互連接區（CC1），線度約為10-35米。因為普朗克時期在時間、空間和密度上都處在極限狀態，所以CC1具有最大的普朗克密度，其質量約為10-8千克，即普朗克質量。

盡管在普朗克時期多方面均處在極限，但物質的狀態發生變化是不可避免的，原始粒子對湮滅，就此產生了大爆炸，物質和能量井噴而出。但是科學家還是無法推測這之前的情況，也無法知道空間和時間的本質特征。他們缺少一把鑰匙，那就是量子引力理論。

按目前建立在相對論基礎上的大爆炸理論，時空是一個平滑的、連續的整體。愛因斯坦的理論對恒星、星系尺度上的引力做了很好的描述，但對宇宙初始時的情況，就很難解釋得清了。

當我們把宇宙的時鐘向回撥，將看到物質日益擠緊，引力變得越來越大。根據相對論，宇宙產生自一個無限密實的奇點，其空間和時間極限彎曲，以至于傳統的物理學在這里完全失效。而物質處于如此微小的空間時，正是量子論的用武之地。因此，欲搞清萬物之開始，必須把這兩個理論結合起來，產生一個量子引力理論。

現在我們來看一下量子引力理論如何看待宇宙的初生。近年來，在這方面出現了幾種理論，其中引人注目的，至少有三個完全獨立的量子引力理論。它們都認為，宇宙進入存在時是很寂靜的，這是一個完全孤立的瞬間，沒有任何東西、任何地方是相互連接的。這意味著，沒有東西（諸如聲音、光或其他信息）能在它們之間通過。這一寂靜時刻將告訴我們宇宙原初的奧秘。

2012年，加州大學的卡立泊收集了所有的量子引力理論版本，發現了它們的一個共同點：當宇宙回到高溫、密實的原初時刻時，其空間維度是一維或二維。換言之，其幾何形態跟現在完全不一樣。

寂靜時刻表明，那時的空間和時間是分開的，很可能源于原始的量子起伏。按照卡立泊的計算，在宇宙的第一個10-43秒時，空間被分割成互不相連的塊。在一個被稱為因果動力學三角的

理論中也出現了類似的情景，它所給出的時間和空間的曲率，正是相對論所說的物質和能量引起的曲率。荷蘭奈梅亨大學的魯爾說：“我們希望，我們的模擬能給出宇宙在接近奇點時是如何運行的。”

按照因果動力學三角理論，宇宙將以某一種相（共有三種）出現。一種類似于我們這一種，即不同的區域相互連接，并通過信號或力的傳遞而相互作用。另一種宇宙是均勻的一塊，所有的東西都是彼此的組成部分。第三種類型的空間完全斷開，宇宙中的每一塊空間都是孤立的。換言之，這是一個寂靜的宇宙。

這些理論是否可信現在還無法判斷。不過，宇宙可能處在這些相中的思想，預示著量子引力含有新的知識。瑞典斯德哥爾摩理論物理研究所的赫塞費特說：“早期宇宙是我們進入量子引力最可靠的大門，研究這些相在早期宇宙中的轉變，將使我們了解新生的早期宇宙，進而知悉空間和時間的本質特性。”

圈量子引力理論認為，空間和時間都是由維和結組成的織物，這種互繞的條紋導致了粒子和力的產生。驗證該理論的一個方法，就是通過量子引力宇宙可看到圈量子引力宇宙獨有的歷史。從中可以看出，在宇宙開始時的高能、高密條件下，維和結是如何運行的。

巴勞等人將量子引力宇宙的膨脹往回收縮時，看到光速也慢了下來；當他們把萬物壓縮到極熱、極密態時，量子引力宇宙最終到達一點，光速也變為零。如果光無法運動，就無法通信了，沒有力能夠傳遞出去，每一個區域的時空之間都是斷開的。這是另一種寂靜時刻。我們看到，雖然有三種不同的理論，但它們都聚焦于寂靜，說明寂靜有助于我們了解原初宇宙結構間的關系。

在目前的標準大爆炸模型中有一個暴脹期，在量子引力宇宙模型中，它的發生是一種被稱為“反彈”的自然結果，而這一時刻先于宇宙進入存在。這似乎很難想象，量子引力宇宙模型并不認為我們宇宙的誕生是萬物之始。2006年，路易斯安那州立大學的辛格等人說，如果把圈量子宇宙的時鐘往回撥，你最終將碰到一個時刻，那里的維和結都處在能量超載的狀態，能夠產生一個斥力，迫使空間翻出并再次開始膨脹。而這一膨脹過程，就是人們所說的大爆炸。如果宇宙含有任何形式的“標量場”（這是一種霧狀的東西），對空間的每一點施加力，可以導致一個自然的暴脹。在所有的宇宙學理論中加入“標量場”，可作為各種力（電磁、強、弱和引力）的種子。

這個模型會進一步告訴我們暴脹將延續多久。量子引力宇宙預言，暴脹期的宇宙，體積是我們現在可觀測范圍的2倍，甚至有科學家認為可能達到10萬或100億倍。量子引力宇宙模型有其

獨特性，其方程允許時間并入空間，也就是說，這個模型中只有四維的空間，而沒有時間。對大多數人來說這僅是一個概念，但對巴勞等人來說，這是一個研究方向，是受到肯定的信號。

不過，辛格等人對此并不看好。他們認為，寂靜時刻僅是人們的一個猜想，那是“十分初始和猜測性的”，并認為“這個結論是十分不成熟的，多半是不真實的”。

量子引力學界的科學家說，在我們對真實宇宙做出確切的測試之前，還有一段相當長的路要走。最好的測試是觀測宇宙微波背景中微妙的圖像，而來自歐空局的普朗克衛星刻畫出了全天最詳細的微波圖。即使如此，該衛星還不夠靈敏，很難重現宇宙創生的量子引力宇宙模型。巴勞說：“我們正在等待后普朗克的測量。”

卡立泊認為，BICEP2望遠鏡繪出的最新的宇宙微波背景輻射圖可能探測到有寂靜時刻的區域，或者空間維正在消失。他說：“這是可信的，存在某種可觀測的信號。”

不同量子引力模型之間的協作提供了很好的線索，以開拓這個領域。辛格指出，在模擬時空從量子態轉變到經典態的時刻，量子引力宇宙和因果動力學三角理論產生了共鳴，給出了一個完全經典的時空。辛格說：“這可能向我們顯示，這個結果反映了關于時空量子特征的一個更深層次的真理。”赫塞費特十分重視這個共性，她說：“每種方法都有其優缺點，但是，都能從不同的道路把我們引向類似的結論。這是很值得注意的，看起來像是一個焦點，試圖告訴我們某些事物。”

現在，量子引力理論已經進入了它的成熟階段，我們將越來越多地看到早期宇宙之謎的解釋。這不僅有益于宇宙學的進展，而且對人類思維領域的拓寬，也大有裨益。