圖片來源：Samuel Velasco/Quanta Magazine最近，科學(xué)家通過復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬發(fā)現(xiàn)，除了宇宙暴脹，宇宙收縮同樣可以創(chuàng)造出今天我們所見宇宙的種種特征。并且在循環(huán)宇宙中，膨脹和收縮會交替進(jìn)行。在這個(gè)理論中，宇宙無始無終。

目前，科學(xué)家通常是這樣描述宇宙誕生的模樣：大約140億年前，宇宙出現(xiàn)了大量不知何處而來的能量。宇宙在短時(shí)間內(nèi)開始急劇擴(kuò)張，能量的爆發(fā)讓宇宙像氣球一樣膨脹。這次擴(kuò)張將宇宙中任何大尺度上存在曲率的地方都拉平了，這也形成了今天我們所看到的結(jié)果：宇宙可能是一個(gè)平坦的幾何結(jié)構(gòu)。（盡管也有理論認(rèn)為宇宙可能是封閉的球狀）物質(zhì)徹底地混合在一起，以至于宇宙看起來幾乎沒有明顯特征。在宇宙各處，恒星與星系從成團(tuán)的物質(zhì)中產(chǎn)生了，它們也成為了本該光潔無暇的宇宙畫布上不起眼的塵埃。

宇宙暴脹理論對這一現(xiàn)象進(jìn)行了闡述，該理論與迄今為止所有觀測都相符，大多數(shù)宇宙學(xué)家都對此表示認(rèn)同。不過也有人發(fā)現(xiàn)，暴脹理論的一些推論會令人困惑。大部分區(qū)域的時(shí)空都在不停地迅速膨脹。結(jié)果是，暴脹不可避免地會產(chǎn)生多重宇宙，即包含了無限多的“口袋宇宙”。一些批評者認(rèn)為，暴脹理論能用來預(yù)測任何事，而這也相當(dāng)于它最終什么都預(yù)測不了?！氨┟浝碚摬⒉幌耦A(yù)期的一樣奏效?！北Ａ_·斯坦哈特（Paul Steinhart）說道，他是暴脹理論的創(chuàng)始人，現(xiàn)在卻成為該理論最著名的批評者之一。

近年來，斯坦哈特和其他人已經(jīng)著手提出一套關(guān)于宇宙形成的不同理論。他們重拾起循環(huán)宇宙的觀念：宇宙在周期性地?cái)U(kuò)張與收縮。他們希望能夠擺脫宇宙大爆炸的桎梏，再現(xiàn)我們今天所見的平坦而光滑的宇宙。

最近，斯坦哈特與一些專攻引力計(jì)算模型的研究者展開了合作，他們分析了一個(gè)坍縮的宇宙是如何改變其自身結(jié)構(gòu)的。并且，研究最終發(fā)現(xiàn)坍縮宇宙的收縮程度能超過膨脹程度。不管宇宙在收縮前看起來多么奇異扭曲，宇宙坍縮都能夠極大地抹平大部分的宇宙原始褶皺。

壓縮視野

在過去一年半時(shí)間里，斯坦哈特和德國馬克斯·普朗克研究所的宇宙學(xué)家安娜·伊堯什（Anna Ijjas）合作，提出一種新奇的循環(huán)宇宙，或者說“火宇宙”觀點(diǎn)——這一理論認(rèn)為，不經(jīng)過坍縮也能實(shí)現(xiàn)宇宙重生。

當(dāng)人們試圖將宇宙膨脹與收縮可視化時(shí)，常常將宇宙描述成氣球，并且用一個(gè)“宇宙標(biāo)度因子”來描述宇宙尺寸變化。此外，還存在另一個(gè)測量標(biāo)尺——哈勃半徑，也就是我們能見的最大距離，不過其一直備受冷遇。在廣義相對論方程中，兩個(gè)尺度因子會各自獨(dú)立演化，并且你可以通過改變?nèi)魏我粋€(gè)因子來使宇宙變得平坦。

你可以想象有一只螞蟻處于一個(gè)氣球上。暴脹就像吹氣球，宇宙在膨脹階段變得光滑與平坦。而循環(huán)宇宙在收縮過程也能保持光滑。在這一階段，氣球會平緩地收縮，而該過程的大多數(shù)事件主要在視界邊緣發(fā)生。這就像那只螞蟻通過一個(gè)功能日益強(qiáng)大的放大鏡觀察萬物，但它能看見的距離在收縮，因此它所處的世界就會逐漸失去特征。

斯坦哈特和他的搭檔設(shè)想了一個(gè)可能已擴(kuò)張了一萬億年的宇宙，該過程會被一種無所不在的（也是假設(shè)的）能量場所驅(qū)動(dòng)。（現(xiàn)在我們會將這種場的活動(dòng)歸因于暗能量）當(dāng)能量場最終變得稀疏，宇宙開始平緩地收縮。經(jīng)過數(shù)十億年，一個(gè)收縮的標(biāo)度因子把萬物都拉得更近了一些（但沒有收縮到一個(gè)點(diǎn)）。而此時(shí)，宇宙劇烈的改變來自哈勃半徑，它會迅速變化，最終變得極小。宇宙的收縮給能量場重新蓄能，令宇宙變熱并且使其中的原子蒸發(fā)。緊隨其后是一次向外反彈擴(kuò)張，而宇宙再次循環(huán)，獲得重生。

在這一反彈模型中，極小的哈勃半徑保證了宇宙能維持光滑和平坦。暴脹令宇宙中許多初始的不平整之處膨脹，變?yōu)檎鎸?shí)而龐大的多重宇宙，而緩慢的收縮卻會擠壓，并最終讓它們消失。最終留下的將會是一個(gè)無始，無終，沒有大爆炸奇點(diǎn)，也沒有多重宇宙的宇宙。

任意宇宙到我們的宇宙

現(xiàn)在，宇宙暴脹與宇宙反彈理論都面臨一項(xiàng)挑戰(zhàn)，那就是它們需要證明，無論宇宙是怎樣開始的，兩項(xiàng)理論中的能量場是能造就現(xiàn)今宇宙的。

伊堯什和斯坦哈特經(jīng)常批評暴脹理論只在特殊情況下才成立，比如其能量場需要在無顯著特征和位移極小的情況下形成。理論物理學(xué)家已經(jīng)徹底地研究了這些情況，部分是因?yàn)檫@些是唯一用黑板和數(shù)學(xué)就能解決的例子。據(jù)伊堯什與斯坦哈特發(fā)布的兩篇預(yù)印稿的描述，他們的研究團(tuán)隊(duì)在最近的計(jì)算機(jī)模擬中，用平緩收縮模型對一系列初生宇宙進(jìn)行了測試，這些運(yùn)算對于紙筆分析來說太過龐大。

通過引入普林斯頓大學(xué)一位專攻廣義相對論計(jì)算模型的理論物理學(xué)家弗朗斯·普里托里厄斯（Frans Pretorius）的代碼，合作團(tuán)隊(duì)探索了不同能量場下宇宙收縮的情況，包括扭曲隆起的場，在錯(cuò)誤方向上移動(dòng)的場，甚至兩部分各朝相反方向劇烈移動(dòng)的場。而幾乎在所有情況下，收縮過程都會迅速產(chǎn)生一個(gè)跟我們的宇宙一樣的宇宙。“你只要讓模型自然運(yùn)行，宇宙在緩慢收縮后就變得非常平坦和光滑?！彼固构剡@樣說道。

凱蒂·克勞夫（Katy Clough），牛津大學(xué)一位專攻廣義相對論數(shù)值解法的宇宙學(xué)家，稱這一次新模擬“非常全面”。但她也提示，這類分析確實(shí)是最近有了先進(jìn)的計(jì)算能力才得以實(shí)現(xiàn)，而暴脹理論可以處理哪些條件，其完整范圍仍是未知的?！斑@項(xiàng)理論已經(jīng)完成了一半工作，但它仍需更多證據(jù)，”她說。

盡管對于伊堯什和斯坦哈特的模型的興趣各有不同，大多數(shù)宇宙學(xué)家依舊認(rèn)同暴脹理論不會這樣就輕易被扳倒?！捌骄徥湛s理論當(dāng)下并不是能與其匹敵的競爭者。”紐約大學(xué)的宇宙學(xué)家格里高利·加巴達(dá)澤（Gregory Gabadadze）表示。

伊堯什和斯坦哈特接下來將繼續(xù)充實(shí)反彈模型——這是一個(gè)更復(fù)雜的研究對象，其中需要引入全新的相互作用來將萬物再次推開。伊堯什現(xiàn)在已經(jīng)想到了一種反彈理論，可以通過一種新的物質(zhì)與時(shí)空相互作用來改進(jìn)廣義相對論，并且她推測這其中還存在其他機(jī)制。她計(jì)劃馬上用計(jì)算機(jī)來測試這一模型，來理解這一作用的更多細(xì)節(jié)。研究團(tuán)隊(duì)希望利用反彈模型將收縮與膨脹階段結(jié)合起來后，能找到一些能供天文學(xué)家觀測的獨(dú)特特征。

盡管目前合作團(tuán)隊(duì)還沒有完善循環(huán)宇宙的所有細(xì)節(jié)，但斯坦哈特仍然非常樂觀，他堅(jiān)信循環(huán)宇宙不久之后就能成為多重宇宙的替代理論?！拔易顡?dān)心的阻礙已經(jīng)被克服了，”他說，“我再也不會為此晚上睡不著覺了?！?/p>

撰文丨Samuel Velasco

翻譯丨張露丹

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