宇宙大爆炸是如何从无到有的?

宇宙大爆炸是如何从无到有的?

“最后一颗恒星会慢慢冷却并消失。随着它的逝去,宇宙将再次变得虚无,没有光,没有生命,也没有意义。”

所以在最近的 BBC 系列宇宙中警告物理学家布赖恩考克斯。最后一颗恒星的衰落将只是一个无限长的黑暗时代的开始。所有的物质最终都会被巨大的黑洞所吞噬,而黑洞又会蒸发成最微弱的微光。

空间将向外扩展,直到昏暗的光线变得过于分散而无法相互作用。活动将停止。

还是会?奇怪的是,一些宇宙学家认为,像我们遥远的未来一样,一个先前的、寒冷黑暗的空宇宙可能是我们自己的大爆炸的源头。

第一件事情

但在我们开始之前,让我们来看看“物质”——物理物质——是如何首先出现的。如果我们的目标是解释由原子或分子构成的稳定物质的起源,那么在大爆炸时肯定没有这种物质——在之后的数十万年也没有。

事实上,我们确实非常详细地了解一旦条件冷却到足以使复杂物质稳定下来,第一个原子是如何由更简单的粒子形成的,以及这些原子后来如何融合成恒星内部的更重元素。但这种理解并没有解决某物是否从无到有的问题。

所以让我们再往后想。任何种类的第一个长寿命物质粒子是质子和中子,它们共同构成了原子核。这些在宇宙大爆炸之后大约万分之一秒出现。

在此之前,真的没有任何熟悉的材料。但是物理学让我们继续追溯时间线——追溯到任何稳定物质之前的物理过程。

这将我们带到了所谓的“大统一时代”。到目前为止,我们已经进入了推测物理学的领域,因为我们无法在实验中产生足够的能量来探索当时正在发生的那种过程。

但一个似是而非的假设是,物理世界是由短命基本粒子组成的——包括夸克,质子和中子的组成部分。

物质和“反物质”的数量大致相等:每种类型的物质粒子,例如夸克,都有一个反物质“镜像”伴侣,它与自身几乎相同,仅在一个方面有所不同。

然而,当物质和反物质相遇时,它们会在能量闪光中湮灭,这意味着这些粒子不断地被创造和摧毁。

但是这些粒子最初是如何存在的呢?量子场论告诉我们,即使是被认为对应于空旷时空的真空,也充满了能量波动形式的物理活动。这些波动会导致粒子弹出,但很快就会消失。

这听起来像是一个数学怪癖,而不是真正的物理学,但在无数实验中已经发现了这样的粒子。

时空真空状态正在沸腾,粒子不断被创造和毁灭,显然是“无中生有”。但也许这一切真正告诉我们的是,量子真空(尽管它的名字)是某种东西而不是什么东西。

哲学家大卫阿尔伯特曾令人难忘地批评了关于宇宙大爆炸的描述,这些描述承诺以这种方式从无到有。

假设我们问:时空本身从何而来?然后我们可以继续将时钟拨回更远的地方,进入真正古老的“普朗克时代”——在宇宙历史上如此早的时期,以至于我们最好的物理学理论都崩溃了。

这个时代只发生在大爆炸之后的一万亿分之一万亿分之一秒的千万分之一。在这一点上,空间和时间本身就受到了量子涨落的影响。

物理学家通常分别使用支配粒子微观世界的量子力学和适用于大宇宙尺度的广义相对论。但要真正理解普朗克时代,我们需要一个完整的量子引力理论,将两者结合起来。

我们仍然没有一个完美的量子引力理论,但有一些尝试——比如弦理论和圈量子引力。在这些尝试中,普通的空间和时间通常被视为涌现,就像深海表面的波浪一样。

我们所体验到的空间和时间是在更深的微观层面上运行的量子过程的产物——这些过程对于我们作为植根于宏观世界的生物来说没有多大意义。

到了普朗克时代,我们对空间和时间的普通认识就崩溃了,我们也不能再依赖于我们对因果的普通认识了。

尽管如此,所有候选的量子引力理论都描述了普朗克时代正在发生的一些物理现象——一些普通时空的量子先驱。但那是从哪里来的呢?

即使因果关系不再以任何普通方式适用,仍然有可能用另一个组成部分来解释普朗克时代宇宙的一个组成部分。不幸的是,到目前为止,即使是我们最好的物理学也无法完全提供答案。在我们朝着“万物理论”取得进一步进展之前,我们将无法给出任何明确的答案。

在这个阶段,我们最多可以自信地说,到目前为止,物理学还没有发现任何东西从无到有的证实实例。

从几乎一无所有的循环

为了真正回答事物如何从无中产生的问题,我们需要解释普朗克时代开始时整个宇宙的量子态。

所有这样做的尝试仍然是高度投机的。他们中的一些人像设计师一样诉诸超自然力量。但其他候选解释仍属于物理学领域——例如多元宇宙,其中包含无限数量的平行宇宙,或宇宙的循环模型,正在重生和重生。

2020 年诺贝尔奖获得者物理学家罗杰彭罗斯提出了一个有趣但有争议的循环宇宙模型,称为“共形循环宇宙学”。

彭罗斯的灵感来自于一个非常热、稠密、小的宇宙状态——就像它在大爆炸时——和一个极冷、空洞、膨胀的宇宙状态——在遥远的未来一样.

他解释这种对应关系的激进理论是,当这些状态达到极限时,它们在数学上变得相同。尽管看起来很矛盾,但完全没有物质可能会导致我们在宇宙中看到的所有物质。

按照这种观点,宇宙大爆炸几乎是从无到有的。这就是当宇宙中的所有物质都被消耗成黑洞时剩下的东西,而黑洞又会沸腾成光子——消失在虚无中。

因此,整个宇宙产生于某种东西——从另一种物理角度来看——是一种接近于一无所有的东西。但那什么也不是什么。它仍然是一个物理宇宙,尽管是空的。

从一个角度来看,同一个状态怎么可能是一个寒冷、空虚的宇宙,而从另一个角度来看,却是一个炽热的稠密宇宙?答案在于一个复杂的数学过程,称为“共形重新缩放”,这是一种几何变换,它实际上改变了对象的大小,但保持其形状不变。

彭罗斯展示了冷致密态和热致密态如何通过这种重新缩放联系起来,从而使它们在时空形状方面相匹配——尽管与它们的大小无关。

诚然,当两个物体的尺寸不同时,很难理解它们如何以这种方式相同——但彭罗斯认为,尺寸作为一个概念在如此极端的物理环境中不再有意义。

在共形循环宇宙学中,解释的方向是从老冷到年轻热:热稠态的存在是因为冷空态。但是这个“因为”不是我们熟悉的——一个原因在时间上跟着它的结果。在这些极端状态下,不仅大小不再相关:时间也是如此。

冷稠密状态和热稠密状态实际上位于不同的时间线上。从观察者的角度来看,冷空状态将永远持续下去,但它产生的热致密状态有效地占据了它自己的新时间线。

它可能有助于理解以某种非因果方式从冷空状态产生的热致密状态。或许我们应该说,热密状态的出现,或者是根植于,或实现由冷,空状态。

这些是科学哲学家广泛探索的独特的形而上学思想,特别是在普通因果似乎崩溃的量子引力背景下。在我们知识的极限下,物理学和哲学变得难以解开。

实验证据?

共形循环宇宙学为我们的大爆炸从何而来的问题提供了一些详细的(尽管是推测性的)答案。但即使彭罗斯的愿景被宇宙学的未来发展所证实,我们可能认为我们仍然不会回答更深层次的哲学问题——关于物理现实本身来自哪里的问题。

整个循环系统是如何产生的?然后我们最终得到了一个纯粹的问题,即为什么有东西而不是无物——这是形而上学最大的问题之一。

但我们这里的重点是留在物理学领域内的解释。对于周期如何开始的更深层次的问题,有三个广泛的选择。

它根本没有物理解释。或者可能存在无休止的重复循环,每个循环都有自己的权利,每个宇宙的初始量子态都可以由之前宇宙的某些特征来解释。或者可能有一个单一的周期,一个单一的重复宇宙,该周期的开始由它自己的结束的某些特征来解释。

后两种方法避免了对任何非原因事件的需要——这赋予了它们独特的吸引力。没有什么是物理学无法解释的。

彭罗斯设想了一系列无穷无尽的新循环,部分原因与他自己对量子理论的偏好解释有关。在量子力学中,一个物理系统同时存在于许多不同状态的叠加中,并且只有在我们测量时才会随机“挑选”一个。

对于彭罗斯来说,每个周期都涉及以不同方式产生的随机量子事件——这意味着每个周期都将不同于之前和之后的那些。这对实验物理学家来说实际上是个好消息,因为它可以让我们通过普朗克卫星看到的大爆炸剩余辐射中的微弱痕迹或异常现象,瞥见产生我们宇宙的旧宇宙。

彭罗斯和他的合作者相信他们可能已经发现了这些痕迹,将普朗克数据中的模式归因于前一个宇宙中超大质量黑洞的辐射。然而,他们声称的观察结果受到了其他物理学家的质疑,因此陪审团仍未出局。

无尽的新周期是彭罗斯自己愿景的关键。但是有一种自然的方法可以将共形循环宇宙学从多循环转换为单循环形式。然后物理现实包括一次循环,通过大爆炸到达遥远的未来的最大空状态——然后再次循环到同一个大爆炸,再次产生同一个宇宙。

后一种可能性与量子力学的另一种解释相一致,称为多世界解释。多世界解释告诉我们,每次我们测量一个处于叠加态的系统时,这种测量都不会随机选择一个状态。相反,我们看到的测量结果只是一种可能性——在我们自己的宇宙中发挥作用。

其他测量结果都在多元宇宙中的其他宇宙中发挥作用,有效地与我们自己隔绝。因此,无论某件事发生的机会多么小,如果它的机会不为零,那么它就会发生在某个量子平行世界中。

其他世界也有像你一样的人中了彩票,或者被怪异的台风卷入云端,或者自燃,或者三者同时发生。

有些人认为,这样的平行宇宙也可能在宇宙学数据中被观察到,作为另一个宇宙与我们的碰撞造成的印记。

多世界量子理论给共形循环宇宙学带来了新的转折,尽管彭罗斯并不同意。我们的大爆炸可能是一个单一的量子多元宇宙的重生,其中包含无限多不同的宇宙,它们都一起发生。一切可能的事情都会发生——然后它会一次又一次地发生。

一个古老的神话

对于科学哲学家来说,彭罗斯的远见令人着迷。它为解释大爆炸开辟了新的可能性,使我们的解释超越了普通的因果关系。因此,它是探索物理学可以解释我们世界的不同方式的一个很好的测试案例。它值得哲学家们更多的关注。

对于神话爱好者来说,彭罗斯的愿景是美好的。在彭罗斯偏爱的多周期形式中,它承诺从他们祖先的骨灰中诞生无穷无尽的新世界。在其单周期形式中,它是对衔尾蛇或世界蛇的古老观念的惊人现代重新调用。

在北欧神话中,巨蛇 Jörmungandr 是聪明的骗子 Loki 和巨人 Angrboda 的孩子。Jörmungandr 吃掉自己的尾巴,创造的圆圈维持着世界的平衡。但是衔尾蛇的神话在世界各地都有记载——包括早在古埃及。

一个循环宇宙的衔尾蛇确实是雄伟的。它的腹部包含了我们自己的宇宙,以及量子物理学所允许的每一个奇怪而奇妙的替代可能宇宙——在它的头和尾巴相遇的地方,它完全是空的,但在温度为一亿亿万亿摄氏度。

即使是变形者洛基,也会留下深刻的印象。

Alastair Wilson,伯明翰大学哲学教授。

本文根据知识共享许可从The Conversation重新发布。阅读原文

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