宇宙真的诞生自宇宙大爆炸吗？可能更像冰块融化

宇宙微波背景显示，早期宇宙的密度分布存在波动。

宇宙真的诞生自宇宙大爆炸吗？新研究称宇宙诞生更像冰块融化

　　北京时间8月24日消息，据国外媒体报道，宇宙有两大未解之谜，数十年来一直令宇宙学家困惑不已，一个与宇宙的终极命运有关，另一个则与宇宙的开端有关。天文学家一直将这两大谜团视作相互独立的问题，但事实果真如此吗？
　　第一个问题与所谓的“暗能量”有关。暗能量正在加速宇宙膨胀，并将决定宇宙的终极命运。理论学家指出，暗能量的效果可以通过向爱因斯坦的引力公式中加入一个宇宙常量来解释。但这种解释要想说得通，这个宇宙常量必须是一个非常小的特定数值才行，相当于10的123次方分之一。如何解释这个数值，是当今理论物理学家面临的最大挑战之一。
　　第二个问题与塑造宇宙的另一个关键数字有关，还牵涉到星系和星系群等结构的形成。我们知道，早期宇宙中密度的分布虽然较为平均，但也存在一些细微的波动，构成了如今我们见到的种种宇宙结构的雏形。这些波动必须有特定的强度和形状，才能与如今的观测结果相符。要弄清早期宇宙中的这些细微波动是如何形成的、并解释它们的强度和形状，无疑是宇宙学界的另一大未解之谜。
　　在传统宇宙学中，宇宙常数的数值、以及初始波动的强度被视作两个无关的数字。毕竟一个涉及到宇宙的开端，另一个则关系到宇宙的尾声，两者相差140亿年。不仅如此，标准宇宙学并未从基本法则的角度解释这两个数字。传统宇宙模型完全没有提到宇宙常数的数值，即使做了预测，结果也完全不合理。至于初始波动的强度，最流行的做法是通过一类描述宇宙早期快速膨胀的模型进行解释。但这些模型的问题在于，人们可以按自己的意思来设计模型、从而取得任何想要的结果，因此完全无法进行准确预测。
　　理论物理学家、宇宙学家萨努·帕德马纳班（Thanu Padmanabhan）近日与女儿汉莎·帕德马纳班（Hamsa Padmanabhan）、以及苏黎世联邦理工学院的托马拉·费罗（Tomalla Fellow）一起，将这两个数字与“宇宙发生说”（cosmogenesis）联系到了一起，并对它们的具体数值做了解释。他们在论文中解释道，宇宙常数的存在、以及它极其微小的数值，可以被视作宇宙时空所含信息内容的直接结果。另外，他们的分析还得出了早期宇宙中微弱波动强度和形状的正确数值。
　　宇宙大爆炸大概算是标准宇宙学最著名的元素之一，但并不讨科学家的欢心。因为爱因斯坦公式中描述的宇宙标准模型在大爆炸所提供的条件下无法成立。宇宙大爆炸认为，宇宙的密度和温度曾达到过无限高，即物理学家所说的“奇点”状态。
　　但如果根本没有奇点呢？从上世纪60年代起，物理学家就一直试图在描述宇宙时绕开宇宙大爆炸，想要将引力理论和量子理论统一起来、建立所谓的量子引力理论。物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）和布莱斯·德维特（Bryce deWitt）率先对这种想法加以应用，提出了宇宙“预几何相”假说（pre-geometric phase），认为从某种暂时还未知的结构中、尚未演变出时间和空间的概念。在此之后，物理学家对量子宇宙学展开了进一步研究，试图用量子的语言描述一个简单的宇宙模型。近几十年来，科学家们提出了几种有所不同、但又相互联系的宇宙“预几何相”概念。这些模型的共同点是，都认为经典宇宙不曾经历“奇点”，而是从预几何相直接过渡到了爱因斯坦公式所描述的时空状态。构建这样一种模型的困难之处在于，我们目前的量子引力理论还不够完整，因此无法详细描述宇宙的预几何相模型。
　　为解决这个技术难关，帕德马纳班等人引入了“宇宙信息”（cosmic information）的概念。近年来，越来越多的科学家认为，信息应当在物理学的描述中扮演了重要角色。这一概念是在科学家试图将量子理论与引力理论相结合的过程中逐渐兴起的。在一部分这样的模型中，还出现了“全息”的概念，即某块区域内部的信息内容可能与边缘处的信息内容有关。但不幸的是，对这些信息的数学描述在不同情境下也有所不同，且科学家尚未找到适用于所有情况的统一理论。因此，为把信息的概念应用到整个宇宙，我们首先要为它找到一个在物理上合情合理的解释。

　　爱因斯坦称自己向公式中加入宇宙常量可谓大错特错。但如今物理学家认为，这一修改是有积极价值的。

　　我们对宇宙信息的定义可以通过打比方来说明。当一块冰融化成水时，会经历从固态到液态的过渡。这个过渡的实际过程可能非常复杂，但这块冰里的原子总数和水中的原子总数完全相同。这个数字就代表着该系统的自由度，在过渡过程中始终保持不变。宇宙诞生所经历的过渡也可能类似于这个过程，也可以由一个特殊数字来描述。这个特殊数字能够将预几何相宇宙的自由度与经典时空的自由度联系起来。科学家把这个数字命名为“CosmIn”。利用CosmIn，我们就可以把宇宙的两种相联系起来了，同时还能避开完整的量子引力模型带来的种种复杂问题。
　　作为一个物理上可观察的数字，CosmIn必须是有限数。事实上，如果不考虑奇点，所有物理量都应该是有限的。此外，帕德马纳班等人还证明，只有当宇宙在较晚期才开始加速扩张时，CosmIn才会是有限数。而这恰恰是我们如今观测到的情况。这种联系不仅说明宇宙常数的存在有着重要原因，还提供了一种计算其数值的方法——前提是我们知道CosmIn的值是多少。
　　CosmIn在宇宙预几何相或量子引力相的值可以由几种量子引力模型反复得出的结果确定。结果发现，从量子引力相转移到经典相的总信息量必须与一个简单的数字相等：4π，仅相当于一个半径为一单位的球体表面积。这等同于一个半径为一单位的球体的每单位表面积上都分布有一单位信息。利用这一事实，我们就可以把宇宙常数的数值与宇宙从量子引力相过渡到经典相的能量标度联系起来。
　　而这一过渡能量标度又能与宇宙的第二大谜团联系起来，即后来演变为现代星系和星系团的早期宇宙微弱波动的强度。为计算这些波动的规模，最普遍的做法是利用宇宙的暴涨模型。该模型认为，早期宇宙曾经历过一段规模巨大、速度极快的膨胀期。但此类暴涨模型有许多，且形状和规模都不尽相同，可以通过刻意设计、计算出任何想要的值。值得注意的是，这种原始波动的形状最初由爱德华·罗伯特·哈里森（Edward Robert Harrison）和雅科夫·泽尔多维奇（Yakov B。 Zeldovich）于1970年分别独立计算得出，故得名“哈里森-泽尔多维奇谱”（Harrison-Zeldovich spectrum）。但很多人并未意识到，哈里森早在后人提出暴涨模型的十几年前就得出了这一结果！
　　帕德马纳班等人的模型可以将宇宙常数的数值和原始波动的规模这两个重要数字与预几何相宇宙过渡为如今的经典宇宙的能量标度联系起来。选对了合适的能量标度后，帕德马纳班等人就可以算出与这两个物理量观测值相符的值。这样一来，宇宙常数、原始波动的强度、以及CosmIn的值之间就建立起了代数联系。这个关系也可以倒过来看，可以利用两个宇宙参数的观测值验证CosmIn是否真的为4π。事实证明，这套理论非常经得起考验。从观测结果推出的CosmIn的确等于4π，误差仅为1千分之一。
　　两个看似无关的宇宙参数结合起来，竟能得到如此简单的一个数值，实在令人讶异不已。传统宇宙学肯定会认为这不过是数字上的巧合而已。但帕德马纳班等人认为，这揭示了宇宙的一个深藏不露、又格外美丽的真相。
　　这应该是科学家首次尝试将宇宙常数与早期宇宙波动的强度联系在一起，也是首次通过参数不可调整的模型推断出这两个数字，并将二者与经典宇宙诞生时的能量标度联系起来。
　　此外，这些理论都与量子引力的大框架相契合。尽管科学家对量子引力的研究已将近50年之久，但仍未建立起完整理论。而帕德马纳班模型的优势在于，不需要详细的量子引力理论也可以说得通。但该模型也提供了两条有关量子引力和时空结构的重要线索：首先，时空应被视作由显微级别的自由度构成，就像物质由原子构成一样；其次，正确的宇宙起源理论应当包括宇宙从预几何相向经典相的过渡。
　　这些线索还可以解答一个关键问题：为何理论学家历经数十年的研究、仍无法将引力理论与量子理论合并起来。要解释这一点，可以再打一个比方：我们知道流体力学是一套自洽的物理理论，可以用一系列公式来表达。如果以这些公式为基础，把量子理论法则套用到上面，我们就会发现一些有趣的新现象，如声子（用来描述晶格振动的一种能量量子）和它们之间的相互作用等等。但利用这种方法，我们将永远也弄不清楚物质的量子结构。
　　有证据显示，从这个角度来看，描述引力的公式与描述流体力学的公式颇为相似。换句话说，用量子理论重新阐释引力公式就类似于用量子理论阐释流体力学公式。但我们尚未从这一角度弄清时空的量子本质，而帕德马纳班等人相信，这也许就是科学家们试图统一引力理论与量子理论、然而数十年来屡屡失败的原因。
　　相反，我们需要重新审视引力的本质，透过它来分析时空的微观结构。物理学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）正是借助这一方法，发现物质需由离散自由度（即原子）构成，才能满足各种热现象的要求。玻尔兹曼的意思是，只要某物能发热，就必须由微观自由度构成。
　　而时空也可以拥有温度，因此对特定观察者而言，也可以是“热的”。这一理论最初由雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和霍金针对黑洞这一特殊情境提出。不久之后，到了上世纪70年代中期，比尔·昂鲁（Bill Unruh）和保罗·戴维斯（Paul Davies）的研究显示，这其实是时空的普遍特征。如果把玻尔兹曼的理论与这一事实相结合，就能得出结论：时空一定具有内部自由度，就像物质内部由原子构成一样。近年来，有越来越多的理论证据为这一结论提供支持。这一现象将成为我们弄清时空微观结构的关键，很快便帮助科学家得出了三个重要结论。
　　首先，一片时空区域的演变过程可以用区域内部和边缘处的自由度（或信息内容）来描述；其次，当能量等级为零时，引力不会发生任何变化。在爱因斯坦的理论体系中，引力会对绝对能量做出反应，导致宇宙常数完全不可能被计算出来。但如果以信息内容为基础，就不会遇到这个问题了；第三，这种从信息出发的思考方式说明，我们不应该用爱因斯坦等式的某个特定解法来描述宇宙的演变。相反，有另外一套公式可以更精准地描述时空的量子自由度，爱因斯坦的这些公式还不够精确，只是处在一个合适的限度内。
　　这套理论已经通过CosmIn模型得到了验证，并让我们对宇宙有了另一种全新的、生动的认识。宇宙就像一大块冰，其中有一小点热源。热源周围的冰会逐渐融化，在冰块中生成一块由水构成的区域。而这块区域还会不断扩大，直到达到局部热力学均衡状态。放在大尺度上来看，由于这块冰是从内到外加热的，靠近其边缘处的分子尚未达到均衡状态。真正的宇宙与这个比喻极为相似。充满水的区域可类比为爱因斯坦理论中描述的可观测宇宙，周围环绕着由目前尚不了解的量子引力理论描述的预几何相宇宙（可类比为冰）。宇宙大爆炸的概念完全被抹去了，取而代之的是在边界处从一种相向另一种相的过渡。这样一来，宇宙早期的“暴涨期”也没有了存在的必要。
　　这个框架简单而雅致，因为它可以用一个简单的参数来描述：即早期宇宙从预几何相向爱因斯坦几何相过渡的能量标度。这不同于标准暴涨模型，不包含任何未经检验的物理原理。帕德马纳班等人唯一所做的推断是，宇宙的信息内容应当等于4π，即一个单位球体的表面积。
　　这项研究为未来的研究工作提供了三个方向：首先，它鼓励我们用不同的量子引力模型进一步探索预几何相宇宙的物理规律；其次，我们可以对这项研究中“宇宙信息”的概念展开探索，并试图将其与其它情境中类似的信息理论联系起来；最后，它进一步巩固了“时空由基础自由度构成”这一理论，并激励我们对不同的时空相加以研究。（叶子）

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