宇宙的起源是爆炸還是反彈——或者完全是其他的東西？關於我們起源的問題是物理學中最棘手的問題之一，很少有答案，但有很多猜測和強烈的感受。目前最流行的理論是暴脹，即宇宙在誕生於大爆炸後的最初幾分之一秒內迅速膨脹。但一個不被看好的觀點認為，這個宇宙的誕生實際上並不是開始——時空的一個早期版本已經存在，並且朝著“大擠壓”收縮，然後翻轉並開始膨脹成我們今天看到的樣子。現在，一項新的研究提出了關於這種“反彈”情景的轉折，讓支持者感到興奮，而暴脹理論的支持者則對一個他們說他們已經反覆駁倒，但卻不斷反彈的“競爭對手”感到新的憤怒。
暴脹理論之所以受到許多人的青睞，是因為它所提出的快速膨脹似乎解釋了宇宙的許多特徵，例如宇宙看起來相對平坦（而不是在大的尺度上彎曲）並且在所有方向上大致均勻（同樣在大的尺度上，到處都大致有相同數量的東西）。當最終相距很遠的太空區域最初彼此靠近並相互接觸時，就會出現這兩種情況。然而，該理論的最新版本似乎表明——甚至要求——暴脹不僅創造了我們的宇宙，還創造了一個無限的宇宙景觀，其中每個可能的宇宙型別，具有每一組可能的物理定律和特徵，都在某個地方形成。一些科學家喜歡這種暗示，因為它可以解釋為什麼我們這個特殊的宇宙，以其看似隨機但又完美校準的生命條件而存在——如果每一種宇宙都存在，那麼我們的宇宙存在也就不足為奇了。但其他物理學家覺得多元宇宙的觀點令人反感，部分原因是如果該理論預測每種可能性都會發生，那麼它就不會唯一地預言像我們這樣的宇宙。
“大反彈”理論也預測了一個平坦且均勻的宇宙，這要歸功於在收縮期間可能發生的對空間的平滑效應。但是，反彈觀點的癥結在於收縮和膨脹之間的過渡，這似乎需要“奇點”這個令人討厭的概念——宇宙處於無限密度的單一點的時間——許多人認為這是一個數學上毫無意義的命題，表明理論已經偏離軌道。現在，物理學家們表示，他們已經找到了一種在不遇到任何奇點的情況下計算反彈的方法。“我們發現我們可以精確地描述宇宙的量子演化，”該研究的合著者、安大略省珀裡米特理論物理研究所所長尼爾·圖羅克說。“我們發現宇宙平穩地穿過奇點，並從另一側出來。這是我們的希望，但我們以前從未真正實現過。”他和倫敦帝國學院的斯蒂芬·吉倫上個月在《物理評論快報》上發表了他們的計算結果。
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量子宇宙
這項突破的出現歸功於研究人員採用的兩項技術。一種是使用新興的、尚未完成的量子宇宙學理論——量子力學和廣義相對論的混合物——而不是經典廣義相對論來描述宇宙。第二種是假設當宇宙年輕時，物質的行為就像光一樣，描述它的物理定律不依賴於尺度。例如，無論波長如何，光的作用方式都相同。另一方面，物質的物理性質通常會從小尺度到大尺度變化。“我們知道在最初的 5 萬年裡，宇宙基本上只是充滿了輻射，”普林斯頓大學的物理學家安娜·伊賈斯說，她沒有參與這項研究。“我們現在看到的正常物質實際上並不重要。我認為，我們目前的測量結果實際上非常表明早期宇宙是無尺度的。”
在這些條件下，圖羅克和吉倫發現，收縮的宇宙永遠不會真正變成奇點——本質上，它會透過從之前的狀態跳躍到之後的狀態來“隧道穿過”這個令人擔憂的點。雖然這種規避聽起來像是作弊，但它是量子力學中一個被證明的現象。由於粒子不存在於絕對狀態，而是存在於機率的陰霾中，因此它們有很小的但真實的機會“隧道穿過”物理屏障，到達似乎它們無法到達的位置——在微觀尺度上，相當於穿牆而過。“空間、時間和物質中的模糊性共同作用，使得宇宙在給定時間所處的位置不確定，”圖羅克解釋說。“這使得宇宙能夠穿過奇點。”
其他大反彈支持者表示，這項工作是重要的一步。“透過做出這兩個合理的假設，他們發現了一個非常有趣的結果，即可以發生反彈，”普林斯頓物理學家保羅·斯坦哈特說，他是暴脹理論的創始人之一，最近成為其最嚴厲的批評者之一。他沒有參與圖羅克和吉倫的研究。“它表明原則上可以避免奇點。”斯坦哈特和伊賈斯一直在研究另一種透過數學方式證明反彈可能性方法，方法是在宇宙中引入一種特殊的場，該場會在空間小到足以成為奇點之前，導致收縮轉變為膨脹。他們的解決方案使用經典的廣義相對論，而不是量子宇宙學。“這意味著經典的、非奇異的反彈也是可能的，”斯坦哈特說。他們在一篇論文中報告了他們的工作，該論文於 6 月 28 日釋出在預印本伺服器 arXiv.org 上。
這兩項研究仍處於初步階段。圖羅克和吉倫只計算出了完全平滑且缺乏導致真實宇宙中恆星和星系形成的小密度漲落的理想化宇宙的反彈。“我們實際上可以精確解決的情況是非常簡單的宇宙，”吉倫說。“你總是會問的問題是，‘如果你處理更復雜的東西，它還會存在嗎？’ 這就是我們目前正在努力的事情。”
如果宇宙反彈了一次，一個自然的問題是它是否會再次反彈。但並非所有的反彈理論都表明我們註定要永遠經歷收縮和膨脹的迴圈——例如，即使我們的宇宙之前反彈過，到目前為止我們也沒有跡象表明它正在走向另一次收縮。被認為構成宇宙總質量能量預算中最大一部分的暗能量似乎正在以不斷加速的速度將我們的宇宙拉開。未來真正會發生什麼是一個非常開放的問題——事實上，它與一切是如何開始的一樣開放。
惡性競爭
許多暴脹理論的支持者對任何反彈模型都持高度懷疑態度，尤其因為他們說，支持者過去曾多次聲稱能夠計算出沒有奇點的反彈，但卻被證明是錯誤的。“我不高興他們不承認他們早期的所有論文都應該被忽略，”斯坦福大學物理學家雷納塔·卡洛什說，她計算出了先前提出的反彈模型中的錯誤。“他們現在提出了新的主張，而我不相信這一新的主張。”艾倫·古思是暴脹理論的先驅，在麻省理工學院工作，對此表示贊同。“我仍然懷疑他們是否真的實現了非奇異解，”他說。“我想拭目以待它的發展。如果他們成功地完成了他們聲稱所做的事情，我確實認為這非常重要——即使它不是宇宙歷史的最佳模型。”
不過，一些暴脹研究人員比較寬容。“我認為這是一項非常有趣的研究方向，”約翰霍普金斯大學的馬克·卡米奧科夫斯基說。“反彈情景雖然尚未發展到暴脹理論的發展水平，但很有希望，而且必須嘗試進一步發展它們。這篇論文在一個玩具模型中提供了一個有趣的數學結果，”他補充道，指的是研究人員研究的理想化宇宙。
卡洛什和其他人反對使用量子宇宙學來描述反彈，因為宇宙在這樣一個階段可能並沒有微觀地小。“他們有一個大宇宙的坍塌——為什麼大宇宙應該與廣義相對論所說的不同？”圖羅克反駁說，任何宇宙的最終理論都必須將量子力學納入廣義相對論，因為眾所周知，經典理論本身在某些極端情況下會失效。“自然是量子的，”他說。“我們知道經典理論在非常基本的層面上沒有任何意義。”
圖羅克和其他暴脹理論的批評者對占主導地位的理論也有自己的問題。他們指責說，暴脹需要不太可能的情況才能啟動（支持者不同意這種說法），並且它並沒有解決大爆炸本身時刻奇點幽靈的問題。此外，“暴脹導致了多元宇宙的噩夢情景，”圖羅克說，“由於某些奇怪的原因，它出奇地受歡迎。”
他認為，該領域激烈的辯論和對新思想的嚴格審查將有助於科學家最終收斂於一個更好的關於我們起源的理論。“人們持有非常強烈的觀點，”圖羅克說。“我坦率地承認我持這種觀點，我也坦率地承認我的觀點並未被 95% 的宇宙學家所接受。我實際上對所有這些理論都持批評態度，包括我發明的那些理論。但今天我們有了驚人的觀測結果，指向宇宙中令人難以置信的簡單性。對我來說，這意味著我們所有現有的理論都過於複雜。觀測結果指向簡單性，而我們的工作是提出一個簡單的理論，希望能夠解釋這些。”