宇宙大爆炸之前是什么？

宇宙從何而來？大爆炸之前是什么？這些都屬于科學問題嗎？宇宙有所謂的“輪回”嗎？

《天問》專欄第七期，為你深度解讀天文學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、世界萬物……這是我們兒時都聽過的美麗傳說。

有趣的是，在由真實的科學理論構建起來的現(xiàn)代宇宙學中，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，“開天地”的主角由盤古變成了一場大爆炸。

熱大爆炸宇宙學說是基于20世紀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)展出來的。根據(jù)這個理論模型（圖1），我們的宇宙創(chuàng)生于大約138億年前的一次時空奇點大爆炸。

在漫長歲月的洗禮下，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)過原初核合成產(chǎn)生氫、氦的原子核；之后約38萬年，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，由宏觀物質構建起來的大尺度結構漸成雛形；直到宇宙4億歲時，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，由星系和星系團等構成的宇宙大尺度結構開始形成……

最終，我們的宇宙演化到當前由暗能量驅動的加速膨脹狀態(tài)。 

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

在宇宙學家眼中，熱大爆炸宇宙學已是一個美麗絕倫的故事，它以最簡單、最樸實無華卻又充滿想象力的藝術圖像刻畫了我們宇宙足足138億年的歷史?？墒牵适碌拈_端——大爆炸奇點真的存在嗎？大爆炸之前的宇宙又是何種模樣？ 

?圖2：宇宙源自時空奇點？圖片來源：金莊維

追求邏輯合理性與數(shù)學自洽性的物理學家很難理解為何整個宇宙來自于一個時空奇點（圖2），因為在這個奇點上，所有的物理參量——例如能量密度、曲率、溫度——都是無窮大的，而無窮大發(fā)散在數(shù)學上的描述是不自洽的。這么看來，困擾大家的宇宙起源問題好像更靠近哲學范疇。

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

?被奇點詛咒的“孩子”——振蕩宇宙

?圖3：振蕩宇宙，圖片來源：金莊維

20世紀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解（cosmological solutions），來描繪各種可能的宇宙演化過程。其中，美國引力學家理查德·托爾曼（Richard C. Tolman）指出，宇宙有可能是振蕩的，它在演化過程中不斷經(jīng)歷收縮 → 膨脹 → 再收縮 → 再膨脹地過程（圖3）。

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

因為這個問題的存在，再加上熱大爆炸宇宙學和暴脹學說在過去半個世紀所取得的巨大成功，宇宙學界對振蕩宇宙的研究興趣在上世紀80年代逐漸淡薄。

?見與不見，就在那里——火劫模型

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

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

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

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

在三維空間看來，每一次碰撞就是一次大爆炸，它創(chuàng)生了真實可見的世界。在這之后，膜宇宙會在遠離對方的演化過程中，通過暗能量所驅動的加速膨脹過程將過去的印跡洗刷干凈，留下極為平坦的膜，為下一次碰撞做準備。由于在這個模型中，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——反彈學說

客觀地說，從一開始對大爆炸時空奇點束手無策到周而復始、無始無終的火劫模型，物理學家們取得了不小的理論進展。但這個模型畢竟只是一個假說，它面臨著兩大問題：一是如何利用合理的數(shù)學語言來精確刻畫這個模型；二是這個模型如何真實地刻畫我們的宇宙，并解釋在這個宇宙中所發(fā)生的一切，特別是我們人類所觀測到的一切。

?圖5：反彈宇宙，圖片來源：蔡一夫

為了回答這些問題，宇宙學家們先將目光集中到只發(fā)生一次收縮和膨脹過程的宇宙學圖像，并稱之為反彈學說（圖5）。

在構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的羅伯特·布蘭登伯格（Robert Brandenberger）教授與英國樸茨茅斯大學的大衛(wèi)·沃茲（David Wands）分別獨立提出的物質反彈模型（宇宙在收縮時期以物質為主）以及本文作者蔡一夫在攻讀博士期間與導師張新民教授提出的精靈反彈模型（宇宙演化可以實現(xiàn)狀態(tài)方程越過-1的精靈動力學行為）等。

這些模型都可以解決熱大爆炸宇宙學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收縮過程，體積越來越小，直到某一時刻，宇宙收縮到了一個臨界的極小值，然后反彈進入標準的熱大爆炸膨脹階段。

反彈學說不僅很好地繼承了熱大爆炸宇宙學所取得的累累碩果，更讓我們避免了那個會讓所有物理理論失效的時空奇點，從而推動了熱大爆炸宇宙論更進一步的理論發(fā)展。

?彼岸花開——反彈宇宙學擾動理論

如果說反彈學說有可能為我們解決宇宙創(chuàng)生那一刻的大爆炸奇點問題，那么接下來我們面對的就是如何證明宇宙曾經(jīng)歷過一段收縮過程。為此，我們需要研究在這個收縮演化期間，有哪些蛛絲馬跡可能穿越反彈的過程而遺留至今。

?圖6：量子漲落播下宇宙大尺度結構的種子，圖片來源：金莊維

幸運的是，無論宇宙在極早期經(jīng)歷過何種演化狀態(tài)，微觀世界的量子漲落總會存在。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，就將為后來宇宙中大尺度結構的形成提供最原始的種子。

換句話說，我們今天看到的CMB溫度漲落，宇宙中豐富多彩的結構：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的（圖6）。因此，通過研究反彈學說中的原初擾動動力學，將理論預言與CMB、大尺度結構巡天等宇宙學觀測數(shù)據(jù)進行比較，我們就有一線希望來認知和檢驗反彈學說。這就是筆者耕耘多年的反彈宇宙學擾動理論。

?原初引力波實驗：“真相只有一個！”

回到最初始的問題：宇宙到底是來自大爆炸時空奇點，還是從收縮過程反彈而來？對于這些問題，學界眾說紛紜，至今尚無定論。但這也吸引了越來越多的宇宙學家進行思考。

其中一個至關重要的任務就是：通過實驗觀測來進行“考古發(fā)掘”。根據(jù)宇宙學擾動理論可以得知，不同的極早期宇宙模型給出的理論預言在原初密度擾動和原初引力波上會存在差異。原初引力波是宇宙在極早期所產(chǎn)生的時空漣漪，由于產(chǎn)生時期極早，通過宇宙膨脹所帶來的紅移效應，它的波長往往會被拉扯得極大，可以跨越整個可觀測宇宙的尺度大小。

因此，這類引力波信號是無法用通常的光學干涉方法來探測。幸運的是，我們的宇宙在大爆炸之后約38萬年時，為自己拍了一張自拍照，也就是CMB。而原初引力波的信號正好可以通過對CMB的高精度測量來加以檢驗。

物理學家通過對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，就會發(fā)現(xiàn)它們形成了兩種截然不同的圖樣：電場型的E-模式和磁場型的B-模式。我們可以通過對CMB光子的偏振狀態(tài)進行統(tǒng)計分析來尋找這些偏振信號。

?圖7：CMB全天圖：從COBE到Planck，圖片來源：蔡一夫

宇宙學家在研究CMB的偏振漲落時發(fā)現(xiàn)，原初宇宙中的張量擾動（即原初引力波）可以直接導致CMB擁有B-模式的偏振信號。宇宙學家曾試圖利用WMAP、Planck等衛(wèi)星實驗將近15年的數(shù)據(jù)來重構出原初擾動、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有被觀測到。

雖然對原初引力波的探索陰影重重，但宇宙學家們依然不懈努力，去苦苦搜尋那些寶貴的原初B-模偏振信號。由于衛(wèi)星實驗造價高昂，且運行壽命和搭載能力都在不同程度上受到了技術的約束，因此，近年來研究人員轉向性價比更高、維持運行更長期更穩(wěn)定的地面CMB觀測實驗。

迄今為止已經(jīng)建造和正在規(guī)劃中的地面CMB觀測實驗，集中在智利天文臺和美國南極極點科考站。在北半球，這仍是一塊空白。

為了推進中國宇宙學在CMB領域的實驗研究，中國科學院高能所的宇宙學團隊牽頭，聯(lián)合國內外多所頂級宇宙學研究單位，正在我國西藏阿里地區(qū)建造北半球首個CMB極化望遠鏡，即阿里原初引力波望遠鏡（AliCPT，圖8）。

該項目計劃2020年在阿里天文臺海拔5250米處建成阿里一號望遠鏡并開始觀測，在北天區(qū)率先實現(xiàn)對原初引力波的探測，并計劃通過CMB偏振旋轉角的測量來檢驗物理學中的基本對稱性——電荷共軛（C）- 宇稱（P）- 時間反演（T）不變性。與此同時，阿里計劃還會與南半球的CMB實驗合作，形成一南一北，對原初引力波觀測進行全天區(qū)覆蓋。

?圖8：阿里原初引力波望遠鏡臺址，圖片來源：阿里團隊

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

◎參考文獻：

1.“科普文引發(fā)頂尖物理學家論戰(zhàn)，宇宙有沒有經(jīng)歷暴脹？”，翻譯：蔡一夫、李春龍，編輯：金莊維，《環(huán)球科學》（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].

◎作者簡介：

·蔡一夫，中國科技大學天文學系教授。2005年畢業(yè)于中科大少年班。2010年于中國科學院高能物理研究所獲得理學博士學位，2015年5月通過入選第十一批“千人計劃”青年人才引進回國。研究領域：粒子宇宙學，集中在暴脹宇宙、反彈宇宙、宇宙起源問題、大尺度結構的早期形成以及當前宇宙加速膨脹等課題。

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