宇宙大爆炸会重复发生吗?

宇宙大爆炸会重复发生吗?插图

据外国媒体报道,自2020年罗杰·彭罗斯获得诺贝尔奖以来,许多人对他提出的共形循环宇宙学(CCC)感兴趣。虽然我们可能没有资格质疑诺贝尔奖得主,但彭罗斯本人也公开表达了他对弦理论和当代宇宙学的怀疑。因此,我们对共形循环宇宙学的看法应该没有问题。

首先,共性循环宇宙学是什么意思?我们应该熟悉宇宙学这个词。这是一套研究整个宇宙历史的理论。循环意味着它会以某种方式重复。彭罗斯称每个循环为永恒。每个永恒都以大爆炸开始,但不会以大挤压结束。

宇宙从膨胀变为收缩后,所有物质最终都会挤在一起,俗称大挤压,相当于逆向爆炸。但在共形循环宇宙中,大挤压不会发生。相反,宇宙的历史会逐渐减少,物质会变得越来越薄。接下来,我们将解释什么是共形。有了共形,我们可以从物质变得极其稀薄的永恒终结,跨越下一个永恒的开始。

共形缩放是指在保持所有相对角不变的情况下收缩或扩张。通过共形缩放,无限体积的东西可以转化为有限体积。

举个简单的例子。假设有一个无限大的二维平面和一个半球。从这个无限平面上的每个点画一条线,连接到球心。然后将每条线和球体的交叉点投射到下面的圆盘上。这样,你就把无限平面上的每一点都投射到球体下面的圆盘上。

在彭罗斯的假设中,缩放不仅是空间,也是时间和空间。时间和空间一起经历缩放,宇宙的结束与下一个新的开始和结束相连。从数学的角度来看,这是完全可以做到的。但是为什么我们需要这种缩放呢?这和物理有什么关系?

彭罗斯试图解决当代宇宙理论中的一个未解之谜,即热力学第二定律-熵增加。我们都知道熵会增加,但既然它会增加,就意味着过去的熵比现在小。事实上,宇宙一开始的熵必须很小,否则我们就无法解释我们现在看到的现象。哲学家戴维·阿尔伯塔提出的早期宇宙熵小通常被称为过去假说。

目前的理论与过去的假设非常匹配。但如果这不是一个假设,而是一个理论,那就更好了。

为了解决这个问题,彭罗斯首先找到了一种量化重力场熵的方法。早在20世纪70年代,他就提出熵就隐含在威尔曲率张量中。简言之,威尔曲率张量是所有时空曲率张量的一部分。彭罗斯指出,威尔曲率张量在宇宙开始时应该很小。这样,宇宙开始时的熵就会很小,过去的假设是有道理的。他称之为威尔曲率假设。

因此,与模糊而笼统的过去假说相比,我们现在有了更准确的数学威尔曲率假说。和熵一样,威尔曲率一开始也很小,然后随着宇宙年龄的增长,与恒星、星系等大型天体结构的形成同步。

还有一个问题:如何降低威尔曲率。现在是共形缩放发挥作用的时候了。在宇宙结束时,威尔曲率必须非常大,为新宇宙的开始做准备需要通过缩放来减少。

这就回答了为什么要缩放的问题。接下来,我们应该找出物理学的作用。缩放可以在数学上建立,因为讨论时间在一个不变的宇宙中毫无意义。这就像讨论科赫雪花是大是小,分形会无限重复,所以无法判断它的大小。在共形循环宇宙中,到每个宇宙结束时,时间是一样的。

然而,只有当宇宙即将结束时,才能实现共形不变性,从而实现放缩和从头到尾的连接。然而,这是不确定的。宇宙中含有许多大质量粒子,而大质量粒子不具有共形不变性,因为粒子也是波,而大质量粒子具有特定波长,称为康普顿波长,与质量成反比。这些粒子的尺度相对特殊,因此在缩放宇宙尺度时不会保持共形。

然而,基本粒子的质量都来自希格斯场。因此,如果我们能在宇宙结束时试图摆脱希格斯场,这些粒子就可以实现共形和不变性,一切都可以建立起来。或者还有其他方法可以去除这些高质量的粒子。然而,既然我们不知道宇宙结束时会发生什么,也许山前会有一条路,这些纠缠自然会解决。

但是我们无法验证1000亿年后会发生什么,那么我们如何验证彭罗斯的循环宇宙学呢?有趣的是,这种共形缩放不会抹去前一个永恒的所有细节。重力波可以保存下来,因为它的尺度不同于威尔曲率。前一个永恒的重力波会影响下一个永恒爆炸后的物质运动模式,从而形成宇宙微波的背景辐射,留下非常特殊的图案。

彭罗斯一开始建议我们应该寻找环形图案。这些环形图案来自上一个永恒的超大质量黑洞碰撞,超大质量黑洞碰撞是我们可以想象的最激烈的事件,因此应该能够产生大量的引力波。然而,这些信号的搜索仍然一无所获。

后来,他找到了一个更好的观察基础,叫做霍金点。最后一个永恒的大质量黑洞将逐渐蒸发,留下霍金辐射,并逐渐扩展到宇宙的各个地方。但在永恒的结束时,这些霍金辐射可以通过缩放重新聚集在一起,然后延续到下一个永恒,成为宇宙微波背景下的一个小点,周围有几个环。

这些霍金点确实存在。除了彭罗斯和他的同事,其他人也在宇宙微波的背景下找到了到了他们。然而,一些宇宙学家建议霍金点也存在于最受欢迎的早期宇宙模型暴胀模型中。因此,虽然这一预测没有错,但不能认为彭罗斯的模型与其他模型不同。

彭罗斯还指出,为了实现共形收缩,有必要引入一个新的领域来产生一个新的粒子。他称这种粒子为erebon,取自黑暗之神的名字厄瑞波斯(erebos)。这种粒子可能构成暗物质。它的质量与普朗克相似,比天体物理学家通常想象的暗物质粒子重得多。然而,没有规定暗物质粒子不能这么重,其他天体物理学家提出了类似的暗物质候选粒子。

彭罗斯提出的粒子最终会变得非常不稳定。毕竟,当永恒即将结束时,为了实现共形不变性,必须抛弃所有的质量。因此,彭罗斯预测,暗物质应该缓慢衰变,而且衰变速度太慢,无法检测到。他还预测,在宇宙微波背景B模偏振中,霍金点周围应该有一些环。宇宙泛星偏振背景成像实验正在寻找这一点,但到目前为止还没有发现。

这就是共形循环宇宙学的介绍。接下来,让我们来谈谈这个理论面临的问题。首先,最明显的一点是宇宙没有共形不变性,所以所有希格斯玻色子都消失了,难免会有些异想天开。但问题远不止这些。最令人困惑的是,在数学上实现共形缩放是一回事,在物理上完全是另一回事。我们可能可以连接无限永恒的开头和结尾,但这并不意味着每个永恒的长度都是有限的。我们可以连接无数无限的时间和空间。声称时间没有意义似乎无法很好地解释缩放的作用。

还有另一个哲学问题。如果最后一个永恒留下的信息在下一个永恒,那么每个循环显然都不可能完全一样。相反,这可能会导致越来越多的波动,而这些越来越多的波动将延续到下一个永恒。这样,彭罗斯就必须解释为什么我们的宇宙剧烈的波动。

此外,还有一个不明显的问题:这些宇宙可以在时间上无限延伸到过去。这也存在于所谓的永恒存在这个问题。但永恒的膨胀只会在未来实现永恒,而过去是有限的。这可以用几何学来计算。布法罗大学的威廉·金尼和尼娜·斯坦在最近的一篇论文中指出,安妮·雅斯和保罗·斯坦哈特的循环宇宙学模型也存在这个问题。循环可能会无限期地持续下去,但它只能在时间上前进,而不是后进。目前还不清楚共形循环宇宙学是否也是如此。

最后,我们不确定共形循环宇宙学是否真的能解决它应该解决的问题。别忘了,我们的初衷是解释过去的假设,但解释本身并不比试图解释的问题更难理解。共形循环宇宙学也对共形不变性和erebons粒子做了很多假设,所以似乎并不比过去的假设好多少。

尽管如此,彭罗斯指出的早期宇宙的威尔曲率必须很小仍然非常重要,而且这种重要性被大大低估了。也许共形循环宇宙学不是最理想的结论,但作为一个数学谜团,这仍然值得更多的关注。(叶子)

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