宇宙的迴圈再生

有些問題令人不安，因為它們的答案只能在兩種同樣令人難以置信的方式中選擇其一。例如，我們是宇宙中唯一的智慧生物，還是會找到其他的智慧生物？另一個令人不安的難題是：宇宙是在遙遠的過去開始的，還是它一直都在這裡？

大爆炸顯然標誌著某種開端。那場可怕的能量爆發和空間膨脹啟動了我們今天用眼睛和望遠鏡所能看到的一切。但就其本身而言，大爆炸理論會讓我們身處一個彎曲的宇宙中，物質和能量沒有充分混合。事實上，我們現在知道時空是平坦的，星系和輻射均勻分佈在整個宇宙中。為了支援大爆炸理論，宇宙學家提出宇宙始於來自單一均勻空間區域的指數膨脹爆發，其印記至今仍留在宇宙中。這種暴脹宇宙學非常成功，以至於排擠了所有的競爭對手。

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然而，在過去的一年中，一組研究人員開始挑戰這一想法的卓越地位，儘管宇宙學領域尚未完全接受這種新方法。挑戰者們借鑑了粒子物理學中一些前沿但未經證實的理論，將大爆炸解釋為更高維度物體之間的猛烈碰撞。在這個解釋的最新進展中，作者們找到了一種方法，將那次單一的碰撞變成一場永無止境的鬥爭，大約每萬億年就會重演一次，使我們的宇宙僅僅是無限生與再生的迴圈中的一個階段。

這種迴圈的想法並不新鮮。在 20 世紀 30 年代，加州理工學院已故的理查德·托爾曼想知道，如果一個封閉的宇宙——其中所有的物質和能量最終都會在一次大坍縮中被壓縮——能夠倖存於其閉合並再次爆發，會發生什麼。不幸的是，正如托爾曼意識到的那樣，宇宙會在每個新的迴圈中積累熵；為了補償，它必須像失控的雪球一樣每次都變得更大。正如雪球必須在某個時間點開始一樣，這樣的宇宙也必須如此。

然後在 20 世紀 60 年代，物理學家證明，大坍縮也必然會達到一個奇點——一個充滿了無限物質和熱量的點——在那裡廣義相對論失效。物理定律因此懸而未決。“迴圈宇宙的想法已經存在很長時間了，”加州大學戴維斯分校的安德烈亞斯·阿爾布雷希特說，他是暴脹的共同發明人，“它一直受到一個根本問題的困擾：是什麼物理學導致坍縮的宇宙反彈回膨脹階段？”

弦奇點

解決該問題的一種潛在方法是假設基本粒子，如電子、光子和夸克，實際上只是在更高維度中抖動的微小能量弦的表現形式。問題是，這樣的弦理論要求宇宙至少有 10 個維度，而不是我們感知到的通常的三個空間維度和一個時間維度。“在弦理論中，你學到一件事——你處於更高的維度，”賓夕法尼亞大學的弦理論家伯特·奧弗魯特說。“那麼問題是，我們的真實世界從哪裡來？這是一個非常好的問題。”

1995 年，當時在普林斯頓大學的彼得·霍拉瓦和普林斯頓高階研究所的愛德華·威滕為答案鋪平了道路，他們表明弦也可以存在於更基本的 11 維理論中。他們將這些維度之一在數學上坍縮成一條微小的線，產生了一個 11 維時空，兩側是兩個 10 維膜，或稱膜宇宙，被形象地稱為“世界末日”膜。一個膜宇宙將具有像我們自己的宇宙一樣的物理定律。從那裡，奧弗魯特和同事們推斷，這些 10 個維度中的六個可以變得非常小，有效地將它們從日常視野中隱藏起來，只留下傳統的四個空間和時間維度。

2001 年初，宇宙學家賈斯汀·庫裡和普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特（另一位暴脹先驅）、劍橋大學的尼爾·圖羅克和奧弗魯特將他們的膜宇宙應用於大爆炸。透過在弦理論中回溯時鐘，他們發現當我們的宇宙膜宇宙反向穿過其起始奇點時，它突然從一種強烈但有限的熱量和密度狀態轉變為一種寒冷、平坦且幾乎空無一物的狀態。在此過程中，它將另一種膜宇宙釋放到 11 維的間隙中。在時間上向前執行，大爆炸看起來只不過是兩個膜宇宙像鐃鈸一樣相互撞擊。他們將這個過程命名為火劫模型，以古代希臘“大火”宇宙學命名，其中宇宙誕生於並從一場猛烈的爆炸中演化而來。

然而，由於對弦理論中的奇點沒有更好的理解，該小組無法研究我們的膜宇宙在碰撞後膨脹時會發生什麼；該模型僅提供了收縮宇宙。然後在去年晚些時候，該小組與高階研究所的內森·塞伯格合作發現，奇點可以被解釋為兩個“世界末日”膜宇宙之間的碰撞，其中只有分隔它們的間隙維度瞬間縮小為零。“因此，當你將其描述為膜宇宙碰撞時，看起來有點災難性的奇異性，實際上根本不奇異，”圖羅克解釋說。塞伯格指出，這種情況仍然是一種猜想，但在數學上與廣義相對論中對大爆炸奇點的描述相同。

火劫模型到目前為止似乎有點牽強，麻省理工學院的艾倫·古思指出，他是暴脹的另一位作者。大爆炸前的宇宙必須是黑暗、平坦和無限的，似乎是憑空捏造的。但為什麼它應該以這樣的狀態開始呢？斯坦哈特和圖羅克的最新研究表明，答案與暗能量有關，暗能量是驅動星系以越來越快的速度彼此遠離的力量。

耗盡的膜宇宙

隨著宇宙加速膨脹，光在遙遠的空間角落之間傳播將變得更加困難。隨著時間的推移，星系將與其鄰居隔離；恆星將逐漸熄滅；黑洞將在量子力學上蒸發成輻射；即使是輻射也會在浩瀚的空間中被稀釋。宇宙最終可能會變得很像火劫模型所暗示的大爆炸前應該出現的樣子。

因此，斯坦哈特和圖羅克提出，暗能量與火劫模型中較溫和的奇點相結合，提供了一種建立迴圈宇宙的簡潔方法。我們的膜宇宙及其對應物將像往常一樣相互彈開，但它們不會分道揚鑣，而是會像被彈簧連線一樣一次又一次地相互撞擊。膜宇宙之間這種吸引力實際上將是暴脹宇宙學為解釋早期宇宙爆發而假設的那種力的一種特殊情況。

膜宇宙的振盪運動會像風箱一樣將空間泵入我們的宇宙，解釋了我們今天看到的加速膨脹。因此，“當你問為什麼宇宙是現在這個樣子時，”圖羅克解釋說，“嗯，那是因為它必須是那樣才能在下一次重複。”並且由於每個膜宇宙都已經無限大和平坦，因此無需擔心第一個迴圈。

阿爾布雷希特評論說，該模型在早期暴脹和當前宇宙加速之間建立了最終聯絡方面很有趣，但“如果他們能夠真正證明迴圈宇宙是可能的，那麼這個案例將更有說服力。”古思也沒有被打動。他解釋說，儘管他等待著宇宙學與弦理論融合的那一天，但他期望暴脹成為那種宇宙學。總的來說，並非所有物理學家都相信碰撞的膜宇宙可以產生物質和能量密度中的微小波動，而暴脹可以巧妙地解決這些波動。需要這些量中的微小變化來解釋恆星和星系聚集在一起的方式以及宇宙微波背景輻射的詳細特性。

在火劫模型中，必要的波動應該是在膜宇宙量子力學地波動時產生的，因此不同的區域會相互撞擊並首先開始膨脹。火劫陣營確信這些漣漪可以產生我們今天看到的精確變化。“我認為令人驚訝的是，這個模型在重現我們看到的一切方面都運作得如此之好，而且又如此不同，”斯坦哈特評論道。“這非常令人震驚，而且我認為很重要，因為我們認為我們正在趨向於某種獨特的宇宙故事。”

但奇點仍然是另一個障礙。儘管最近取得了進展，但沒有人確定諸如膜宇宙漣漪之類的特徵是否真的可以毫髮無損地從大坍縮傳遞到大爆炸。“奇點處會發生什麼？”塞伯格沉思道。“這是一個巨大的未解之謎。”因此，儘管弦理論中的奇點可能如圖羅克所說，是“最溫和的”，但它仍然是一張未知牌。

然而，交易尚未完成，現在說碰撞的膜宇宙會持續存在還是會失敗還為時過早。也許它會吸引具有更富有想象力的想法的新玩家。“我碰巧認為迴圈模型是一個真正有趣的模型，”斯坦哈特說。“它有很多人們還沒有機會玩弄的新成分。當他們玩弄時，他們可能會發現我們錯過的其他有趣的東西。”或者不會。