你可能會(huì)認(rèn)為宇宙是從大爆炸開(kāi)始的。十年前，我也是這么想的。但后來(lái)我意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有解決。在宇宙開(kāi)始之前發(fā)生了什么？令人震驚的答案可能是，從來(lái)沒(méi)有發(fā)生過(guò)大爆炸，而是一個(gè)沒(méi)有開(kāi)始或結(jié)束的宇宙，反復(fù)地從收縮到擴(kuò)張，然后又回來(lái)。

20世紀(jì)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(shí)牧師兼天文學(xué)家喬治·勒馬特(George Lema?tre)獨(dú)立提出宇宙正在膨脹。弗里德曼在時(shí)間上向后推演，它應(yīng)該從一個(gè)小的“原始原子”開(kāi)始。當(dāng)埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)根據(jù)他對(duì)遙遠(yuǎn)星系運(yùn)動(dòng)的觀察，提供了支持宇宙膨脹的令人信服的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)時(shí)，這個(gè)問(wèn)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(gè)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(diǎn)。這種假想的狀態(tài)被稱為大爆炸。但是沒(méi)有證據(jù)表明這種簡(jiǎn)單的推演是有效的，也沒(méi)有證據(jù)表明宇宙就是這樣開(kāi)始的。然而，它已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的觀點(diǎn)，如此根深蒂固，以至于我們中的許多人在孩提時(shí)代就像我一樣了解到了這一點(diǎn)。

有一個(gè)很好的理由對(duì)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(jìn)入流行詞典時(shí)，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(shuō)，只要粒子不停留太久，粒子可以隨時(shí)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(shí)宇宙的大小只有一個(gè)精確點(diǎn)那么大。無(wú)論這個(gè)空間里包含的是什么，能量都會(huì)不斷地隨機(jī)波動(dòng)，所以隨著空間的擴(kuò)大，這些差異本應(yīng)被分散開(kāi)來(lái)，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(shí)是這樣的：我們沒(méi)有看到這種不平衡。

盡管宇宙中的物質(zhì)隨機(jī)聚集在一起，我們稱之為星系，但當(dāng)我們?cè)谧畲蟮某叨壬嫌^察宇宙時(shí)，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(gè)解釋。此外，大爆炸時(shí)的那些相同的量子漲落應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致空間扭曲。當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，這些變形也會(huì)膨脹，并會(huì)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(jì)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(gè)旨在解決大爆炸理論問(wèn)題的想法。他們提出，在大爆炸后不久，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)短暫的極度快速擴(kuò)張的時(shí)代，即所謂的膨脹。他們的概念是，膨脹會(huì)如此迅速地伸展宇宙，以至于時(shí)空結(jié)構(gòu)中的任何曲折、曲線和扭曲都會(huì)被熨平，所有物質(zhì)的分布都會(huì)變得平滑。

但膨脹本身也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。例如，它需要一個(gè)假設(shè)場(chǎng)，稱為膨脹場(chǎng)。這需要在恰到好處的時(shí)間和恰到好處的力量打開(kāi)-并且隨著時(shí)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?yàn)橛捎诖蟮牧孔硬▌?dòng)，膨脹場(chǎng)的強(qiáng)度在不同的空間區(qū)域會(huì)不同。因此，它更有可能沒(méi)有膨脹或者不足以來(lái)平滑宇宙，或者膨脹會(huì)導(dǎo)致一個(gè)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(dòng)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(gè)罕見(jiàn)的空間例外。在這些地區(qū)，宇宙學(xué)性質(zhì)是隨機(jī)和不可預(yù)測(cè)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(wú)限多個(gè)具有無(wú)限不同性質(zhì)的斑塊。這種無(wú)法控制的多樣性被稱為膨脹的多元宇宙，它是一個(gè)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(jìn)入一個(gè)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(wèn)題。但是自從部分科學(xué)家聽(tīng)說(shuō)這些問(wèn)題，就無(wú)法忽視它們。最初的計(jì)劃是探索解決膨脹的方法，但后來(lái)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(tái)將搜尋原始引力波

同樣是由于量子漲落，膨脹的一個(gè)普遍特征是，無(wú)論在哪里膨脹結(jié)束，時(shí)空結(jié)構(gòu)中都應(yīng)該有小的扭曲，這種扭曲會(huì)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(shí)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(zhǎng)要大得多-如此之大以至于檢測(cè)它們的唯一方法就是通過(guò)它們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渖系挠∮洝＿@種輻射模式有時(shí)被稱為宇宙的嬰兒圖片，因?yàn)樗峁┝擞钪嬖诖蠹s40萬(wàn)歲左右的樣子的圖像。這聽(tīng)起來(lái)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(zhǎng)期以來(lái)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(tīng)到這個(gè)消息時(shí)，科學(xué)家意識(shí)到這意味著最簡(jiǎn)單的膨脹理論版本被消除了。部分人覺(jué)得作為對(duì)大爆炸后發(fā)生的事情的簡(jiǎn)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(gè)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(kāi)始時(shí)不是從無(wú)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(kāi)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(zhǎng)期超緩慢收縮。就像膨脹需要一種特殊形式的能量(膨脹場(chǎng))來(lái)驅(qū)動(dòng)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(huì)施加極高的壓力。高壓通過(guò)抵抗壓縮來(lái)減緩收縮，同時(shí)，傾向于消除能量分布和時(shí)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(dòng)條件。它可以各種方式被觸發(fā)，例如，通過(guò)衰減暗能量。

還有另一個(gè)好處：在一個(gè)緩慢收縮、寒冷的宇宙中，量子漲落在任何時(shí)候都很小。這意味著反彈場(chǎng)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(chǎng)景中缺少的證據(jù)表明，具有這些屬性的反彈實(shí)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(jiǎn)而言之，他描述了一種假定的能量來(lái)源，它能在宇宙收縮到量子引力效應(yīng)重要的點(diǎn)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(shí)空幾何。

“我們可能生活在一個(gè)循環(huán)的宇宙中，每隔1000億年左右就會(huì)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(duì)宇宙的演化進(jìn)行建模，以尋找收縮和反彈過(guò)程的新穎獨(dú)特特征。一種預(yù)測(cè)是超慢收縮不會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)到的原始引力波。這與普朗克數(shù)據(jù)和隨后的觀測(cè)結(jié)果是一致的。

更敏感的實(shí)驗(yàn)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(tái)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(cè)到原始引力波，那么緩慢收縮的想法肯定是錯(cuò)誤的。伊賈斯經(jīng)常被問(wèn)到是否擔(dān)心這個(gè)想法可能會(huì)被一次實(shí)驗(yàn)所消除。但對(duì)伊賈斯來(lái)說(shuō)，這才是真正的科學(xué)。

然而，如果我們確實(shí)看到反彈的跡象，其影響將是深遠(yuǎn)的。這個(gè)概念的自然延伸是，我們可以生活在一個(gè)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(gè)沒(méi)有開(kāi)始或結(jié)束的循環(huán)宇宙。每一個(gè)超慢收縮周期都會(huì)抹去之前周期的任何細(xì)節(jié)，并在與之前周期相同的條件下將宇宙帶到彈力點(diǎn)。因此，在每個(gè)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(shuō)，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(huì)觀察到與我們大致相同的宇宙基本屬性。

這反過(guò)來(lái)導(dǎo)致了一個(gè)戲劇性的預(yù)測(cè)：宇宙膨脹速率緩慢加速的當(dāng)前階段將結(jié)束，宇宙將進(jìn)入一個(gè)新的收縮階段。然后，它將走向新的反彈和新的擴(kuò)張階段。因此，驅(qū)動(dòng)當(dāng)前加速膨脹的暗能量必須衰減消失，這可能會(huì)在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到。

這一點(diǎn)，加上對(duì)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(kāi)始的。