突破认知极限,宇宙大爆炸之前,到底发生了什么
138亿年前,一个拥有无限能量的奇点爆炸了,释放出了创造万物的原初之力,这就是一切的源头——宇宙大爆炸。那么大爆炸之前又会是什么呢?很难想象大爆炸之前会发生什么事,这是因为时间本身就是在那一刻创造出来的,如果我们一直问下去,这个"源头的源头"就会像俄罗斯套娃一般,无穷无尽。在这大爆炸"创世时刻"之前发生了什么呢?这个神秘而有争议的问题值得我们去思考吗?
似是而非的问题
由于这个问题的性质,我们往往对此有争议。许多人认为这个问题本身毫无意义,如同小孩子一直追问为什么一样。在某种程度上来看,如果时间在大爆炸之前不存在,那个无限能量的奇点又从何而来,凭空蹦出来的?我们对"前后"的概念,依赖于我们对时间和"因果"概念的理解。一个相似的问题是:北极的上方是什么地方?由于我们对"上方"的理解和定义,这个问题没有任何意义,可以回答太空、北极星、大气层等等,这些都是正确答案。大爆炸模型
在讨论大爆炸之前的可能性时,我们必须设定边界条件,把问题放到一个严格的理论领域。我们的宇宙诞生于大爆炸的那一刻,与想象中实际爆炸的画面恰恰有所不同,大爆炸实际上指的是时空本身的快速膨胀。如果把我们的宇宙(和我们所知道的现实)想象成一个被压缩到极小点的干瘪气球,而你是一只住在气球外面的蚂蚁,当有人向气球使劲吹气,气球的外表面会迅速膨胀。这个吹气的人,憋红了脸使劲吸气,然后在一瞬间呼出所有气体,这一吸一呼间,就是所谓的宇宙大爆炸。
在这个短暂的膨胀时期,时空(以及其中的物质)膨胀得比光还快,你可以闭着眼睛想象一下,当你睁开眼的那一刻,你的眼球便膨胀为银河系。宇宙的膨胀速度,最终因能量渐渐消耗而放慢并冷却下来。温度冷却是复杂物质形成的关键,比如恒星、行星还有你。目前,宇宙仍在继续膨胀,但比最初的时候要慢得多。
回到问题本身,在大爆炸的时间线之前,发生了什么?以我们目前的大爆炸模型,还不能完美诠释这个问题。最关键的问题在于:绝对时间如何开始计时。当你把时间倒带,越来越接近大爆炸的开端,也就是那个紧致细密的奇点时,数学就崩溃了,我们的方程必须调用无穷大(体积无限小,密度无限大)。如果使用无穷大,我们实际上是在说,现实本身没有规则或意义。物理学和自然法则完全失效了。
为了弄清楚这个似是而非的奇点,并还原真实的现实,一些理论物理学家提出了假设,关于大爆炸之前可能发生了什么。大反弹
有的数学假设认为,宇宙可能会经历大爆炸的无限循环。宇宙向外膨胀,减速,然后由于一种未知的力量,它开始收缩。这种收缩速度缓慢增加,最终导致宇宙中的一切重新被压缩在一个点上,就是奇点。这个奇点随后爆炸成为下一个大爆炸,这个周而复始的大爆炸过程就是所谓的"大反弹"。然而,这个假设也有明显的问题,是什么原因导致了第一次大爆炸,又是什么原因设定了大爆炸的产生周期?这归根结底,重新回到了先有鸡还是先有蛋的问题上。自然选择理论
也有些假设认为,一个宇宙要想繁荣昌盛,它必须繁衍后代。一个宇宙可以通过其内部的黑洞,衍生出其他宇宙来实现宇宙复制。该假说认为,当物质被黑洞消耗并被压缩到一个密度无限小的空间时,黑洞的奇点处会发生反方向的反弹作用(膨胀)。这种膨胀或"反弹"创造了一个全新的宇宙,看起来非常像宇宙大爆炸。只是,这个新宇宙对黑洞之外的人来说是看不见的。该假设的关键问题在于,由于我们永远不可能观察到这些新产生的宇宙,这个猜想几乎不可能被证明。膜的世界
研究M理论的物理学家认为,我们的宇宙存在于第四维度中的三维膜上。这个更高的维度包含其他的三维膜,这些膜也可能包含其他的宇宙。宇宙膜的结构中,一个膜可以与另一个膜发生碰撞。这样的碰撞会导致能量的大规模释放,也就引发了大爆炸。膜理论还有一个额外的好处,那就是完全可以用数学计算模拟大爆炸的过程,方程中不会再出现无穷大,是解释宇宙如何起源的理想理论。三维膜相互间的碰撞经常发生(每隔几万亿年),为宇宙注入新的生命。气泡宇宙
这一假设表明,我们的宇宙在一个三维气泡里,漂浮在第四维度或"超空间"中,在气泡宇宙理论中,其他气泡可能包含许多不同的宇宙,这就是所谓的多元宇宙。当宇宙在超空间中萌芽时,引发大爆炸,形成新的宇宙气泡,它随着时空的扩张而增长。这个过程可能会持续地发生,这意味着在这个四维的"多元宇宙"中有无数个宇宙。
宇宙大爆炸之前发生了什么,这是一个有趣的思想实验。目前来看,这些假设的可验证性几乎没有,我们需要更完备的探测技术,对宇宙进行更深刻的理解,这至少也要等到几百年后才能实现。