宇宙之初迅速膨脹的一瞬間發(fā)生了什么

據國外媒體報道，很長時間以來，科學家始終沒能弄清楚，宇宙之初迅速膨脹的一瞬間里究竟發(fā)生了什么。但如今有一位科學家認為，他終于明白了為何我們無法用物理語言對這一暴脹過程進行描述：因為宇宙不讓我們這么做。

這位科學家提出了一項猜想：在研究初生的宇宙時，“觀察者會受到屏蔽”，無法對宇宙中最微小的結構進行直接觀察。

換句話說，物理學家也許永遠都無法用常用工具建立起宇宙暴脹模型，必須找到更好的方法才行。

但為何不行呢？這一新猜想將其歸咎于許多宇宙暴脹模型的一項通病：它們總是抓住時空中的一些極其微小的波動，然后將其放大。但我們針對這些微小波動尚未建立起一套完整的物理理論，因此凡是有這一特征的宇宙暴脹模型（幾乎無一幸免），都不可能走得通。

不過，弦理論或許可以成為解開宇宙暴脹之謎的關鍵。

迅速膨脹

對宇宙中大型結構及宇宙大爆炸殘余光線的觀察顯示，宇宙在誕生之初也許經歷了一段速度極快的擴張期，名為“宇宙暴脹”，使得宇宙的體積在瞬息之間增長了數萬億倍。

在此過程中，宇宙變得“坑洼不平”了一些。隨著宇宙不斷膨脹，最微小的隨機性量子波動被成倍放大，意味著宇宙中部分區(qū)域的物質密度比其他區(qū)域高了一些。最終，這些微觀尺度上的區(qū)別逐漸擴大成了宏觀水平。在有些情況下，其尺度甚至大到橫跨宇宙兩端。數百萬年乃至數十億年后，這些密度上的微小差別逐漸孕育成了恒星、星系以及宇宙中那些最為龐大的結構。

天文學家強烈懷疑，類似這樣的暴脹過程是在當宇宙誕生尚不足1秒時發(fā)生的。盡管如此，他們并不知道是什么激發(fā)了宇宙暴脹，不知道暴脹的能量來自何處，不知道它持續(xù)了多久，也不知道最終是何種力量使暴脹停了下來。換句話說，物理學家對這樣一起史詩級事件缺乏完整的物理描述。

不僅如此，在大多數宇宙暴脹模型中，極小尺度上的波動都會被放大到宏觀級別。這些波動原本有多小呢？比普朗克長度（約為1.6×10-35米）還要小。在這么小的尺度上，起作用的就不僅是引力了，還有其他自然基本力。在這種情況下，為了描述現實，我們需要一套大一統(tǒng)物理理論才行。

但我們目前并沒有這種理論。

所以問題來了。絕大多數宇宙暴脹模型都需要宇宙增長到足夠大，這樣普朗克尺度的區(qū)別才能放大成宏觀尺度上的區(qū)別。但我們對普朗克尺度的物理機制并不了解。既然我們不懂內在的物理原理，又怎么可能建立起宇宙的暴脹模型呢？

在普朗克尺度之上

也許答案是“永遠不可能”。這一理論被叫做“跨普朗克審查猜想”，簡稱TCC。其中“跨普朗克”指一切小于普朗克長度的尺度。

理論宇宙學家、加拿大麥吉爾大學教授羅伯特·布蘭登博格寫了一篇關于“跨普朗克審查猜想”的論文。他指出：“這條新原則對宇宙學提出了限制。”在他看來，這一猜想意味著，任何處于我們宏觀世界中的觀察者都永遠“看”不見跨普朗克尺度上發(fā)生的事情。且根據這一猜想，就算我們建立起了量子引力理論，跨普朗克尺度上的事物也永遠不可能“跨入”宏觀世界中。對宇宙暴脹模型來說，這可不是個好消息。

大多數宇宙暴脹理論都依賴一項名叫“有效場理論”的研究工具。既然我們沒有能將高能量、小尺度（宇宙暴脹就是這樣的情況）的物理機制統(tǒng)一起來的理論，物理學家試圖先從低能量的情況著手。但布蘭登博格指出，按照新提出的跨普朗克審查猜想，這類策略也不可行，因為當我們用該策略建立暴脹模型時，暴脹過程便會發(fā)生得太快，以至于將普朗克尺度的世界“暴露”在了宏觀觀察之下。

有鑒于此，一些物理學家不禁思考，我們是否應當采用一種截然不同的方法來研究早期宇宙呢？

走出“沼澤地”

弦理論是一套有望將經典物理與量子物理統(tǒng)一在一起的理論，而它的分支“弦氣體宇宙學”則有可能幫助我們建立起早期宇宙模型。在弦氣體模型中，宇宙從未經歷過所謂的快速暴脹期。相反，這一膨脹過程要溫和、緩慢得多，小于普朗克長度的波動也從未“暴露”在宏觀宇宙之中。普朗克尺度以下的物理事件絕不會放大到可被觀察的宏觀尺度，這就滿足了跨普朗克審查猜想的要求。不過，弦氣體模型目前還不夠詳細，還不足以挑戰(zhàn)目前觀察到的、與宇宙暴脹相關的證據。

跨普朗克審查猜想還與宇宙暴脹和弦理論等大一統(tǒng)理論之間的另一個癥結點有關。據弦理論預測，除了我們所在的宇宙（包括其中所含的力、粒子等物理元素）之外，還存在數量龐大的其他宇宙。乍看之下，絕大多數宇宙暴脹模型在基礎層面上似乎與弦理論都不兼容。但它們其實都屬于弦理論學家所謂的“沼澤地”——即在物理學上并不現實的、可能存在的其他宇宙。

我們仍有可能建立起一個滿足跨普朗克審查猜想的傳統(tǒng)宇宙暴脹模型（同時存在于弦理論的“沼澤地”之外）。但假如跨普朗克審查猜想是真的，物理學家能夠建立的模型類型便會大大遭到限制。假如宇宙暴脹的時間足夠短（就好像緩緩吹大一個氣球，然后在氣球爆炸之前及時停下），但同時保留孕育大型天體結構的條件，那這個暴脹模型或許便可說得通。

目前，跨普朗克審查猜想尚未得到證實，還僅僅是個猜想而已。它與弦理論倒是思路一致，但弦理論本身也未經證實（事實上，弦理論目前還不完善，甚至無法做出任何預測）。但這類猜想是很有用的，因為物理學家還并不理解宇宙暴脹的本質，因此任何能幫助他們打磨思路的理論都會受到物理學家的歡迎。