大爆炸？其實是大凝結

班子辰

一種新觀點認為，宇宙大爆炸不是一切的開始，而是一個轉變的時刻。

大爆炸的神秘面紗

人們常常把宇宙大爆炸與美國天文學家愛德文·哈勃聯系起來，但它的起源可以追溯到比利時神父、天文學家喬治·勒梅特。20世紀20年代末，勒梅特曾觀察到宇宙在膨脹，他推測宇宙在很久之前是一個“原始原子”，它逐漸膨脹，最終變為我們今天看到的一切。

這個“原始原子”是什么？它從哪里來？霍金曾說過，問大爆炸之前發生了什么就像問北極的北部是什么。他認為，既然時間本身就在那一時刻被創造出來，再問之前發生了什么就毫無意義了。這并沒有阻止其他物理學家試圖回答這樣的問題。勒梅特自己就曾提出過“鳳凰宇宙理論”，認為宇宙像鳳凰一樣，能涅槃重生。他認為，宇宙的膨脹會放緩，然后逆轉，最終坍縮成一個新的原始原子，然后再一次發生大爆炸，宇宙又一次重生。

本世紀初，一些物理學家還提出了所謂的“火宇宙理論”，認為我們所在的宇宙其實是一個有著更高維度的、極其宏大的宇宙的一小部分。大爆炸是這個高維宇宙的兩個部分發生碰撞產生的，碰撞后形成了我們所在的三維空間。

其他一些提議更加瘋狂，比如一種根據暴脹理論給出的推測。暴脹指的是宇宙早期急速膨脹的過程，它由能量隨機波動引起，但這種波動隨時隨地都可能發生。這不僅意味著我們宇宙的某個地方會在某一天突然暴脹為一個新的宇宙，而且還表明我們的宇宙可能是從某個古老的宇宙中暴脹出來的。

無論是鳳凰宇宙理論、火宇宙理論，還是暴脹理論，它們都試圖揭開大爆炸的神秘面紗。然而，它們都無法準確地描述大爆炸的關鍵時刻究竟發生了什么。

大爆炸那一時刻

大爆炸源自我們最好的引力理論——廣義相對論。廣義相對論認為，恒星和行星能扭曲自己周圍的時空，這種扭曲產生了引力。我們從天文觀測中知道，時空在膨脹，根據廣義相對論，這意味時空在過去某個時刻必須是一個體積無窮小的、密度無窮大的點，被稱為奇點。但當時空變得越來越小時，量子力學相關的效應必須考慮進去。然而，廣義相對論與量子力學理論很難融合，這給研究大爆炸那一時刻帶來了極大的困難。

在過去的幾十年里，物理學家一直在嘗試把這兩個理論融合成一種量子引力理論，并取得了許多進展。例如，一種途徑是把時空看成非連續的，認為它是由一個個“時空原子”構成的。

另一些物理學家一直在嘗試繞開這個困難，去研究大爆炸那一時刻，他們首先想到的是水。

如果時空是流體

想象一下把一桶水澆在你的頭上。水是由許多受到量子力學支配的分子構成的，但是你不需要知道細節就知道你的頭發會被淋濕。你甚至可以用流體力學精確地計算出水是如何流動的，而流體力學早在量子理論提出之前就存在了。如果流體力學允許我們精確地描述流體，而不去糾纏分子的細節，那么也許有一種辦法能精確地描述時空，而不需要知道涉及到“時空原子”的細節。

這種類比并不僅僅是表面上的。在過去幾年里，物理學家利用流體制造了一些模型，發現它們與時空本身十分相似（參見拓展閱讀）。一些物理學家認為，時空不只像一種流體，它其實就是一種流體。

如果真是如此的話，時空也許會有多種狀態，能發生類似的相變。我們知道，水有三個常見狀態，分別是冰、液態水和水蒸氣。它們都是由水分子組成的，但是這些分子之間的相互作用是不同的。在水蒸氣中，分子四處飄蕩，彼此間的作用力很弱。然而，如果它們撞上窗戶上冰冷的玻璃，它們就開始擠在一起，由氣體凝結成液體。

物理學家認為，正常的時空類似液態水一樣，它有著時間和幾何結構。如果時空變為類似水蒸氣的話，“時空原子”仍會存在，但時空此時是一種沒有時間和幾何結構的異域世界。

物理學家對這種理論不斷完善，取得了不錯的研究成果。一個推論是，宇宙開始時發生的大事件不是一場大爆炸，而是一次急速的相變，從類似水蒸氣的狀態凝結成類似液態水的狀態。這意味著宇宙根本沒有一個明確的開端，我們所認為的大爆炸只是一個凝結的瞬間（見圖示“流體時空”）。這個瞬間可以被稱為“大凝結”，如果讓時間倒流的話，那么這個瞬間則是“大沸騰”。

那么，在大凝結另一邊的時空是怎樣的？

在那個時空中，我們所熟悉的時間和空間概念將不復存在，沒有所謂的“上下前后左右”以及“過去、現在和未來”，所以我們很難用語言來形容它們。這類似水中的魚試圖想象水蒸氣一樣困難。

“大凝結”理論受到了許多其他物理學家的歡迎，但是目前沒有任何證據能證明它是正確的。物理學家正在嘗試用它來推導出一個可被驗證的推論，來檢驗理論本身的正確性。他們首先要做的，則是想辦法用數學描述那個類似水蒸氣的時空。這項工作無疑是極為困難的，但這些物理學家準備接受這一挑戰，用他們的話講，那就是“努力做一條躍出水面的魚”。

拓展閱讀

用流體模擬時空的實驗

越來越多的實驗表明，時空和流體之間存在很強的相似性。例如在2001年，來自美國的物理學家研究了一種特殊的流體，叫做玻色-愛因斯坦凝聚態。這種流體是由一堆處于超冷環境下的原子組成，這些原子就像士兵一樣，能整齊劃一地活動，使它們看起來如同一個單一的原子。物理學家通過調整磁場限制這種流體，使其短暫膨脹，然后爆炸。爆炸產生的粒子對噴流，類似于大爆炸后物質的產生。

在2016年，來自以色列的物理學家使用了類似的手法，用玻色-愛因斯坦凝聚態模擬出了一個黑洞。黑洞是一種任何物質包括光線都無法從中逃離的天體，類似于水面上的漩渦。這個模擬是為了檢測關于黑洞最著名的預測之一：黑洞會產生輻射，即霍金輻射。果然，物理學家觀察到了這個模擬黑洞也會產生類似霍金輻射的東西。