大爆炸之前

陈壮叔

大爆炸之前的宇宙是什么模样?若你问宇宙学家，他们通常会搪塞说，这个问题没有意义。如著名物理学家霍金，便对此反问道：“北极之北是什么地方?”故按现代宇宙学的主流思想，大爆炸意味着宇宙的真正开始，空间和时间由此而出现，决不存在“之前”这样的问题。

但这可能并非真实，就有一位物理学家敢于挑战这个问题。若他说的正确，那么在大爆炸之前，宇宙已经历了一个不可想象的久长时期。欧洲核子研究所的G狈赌善媾说：“大爆炸远不是时间的开始，它仅是宇宙历史的一个转折点。”

范氏早在20世纪90年代初，就开始对“大爆炸之前”进行探索。当时，他跟同事盖斯拍立宁对标准大爆炸模型中的一些缺点做了研究。例如，若你想象宇宙膨胀在时间上逆行(就如反向放电影)，那么它的密度和温度将不断增大，直至无限。这个无限密度的点，称为奇点，是物理学上的一个大问题。范氏说，“奇点”告诉我们，现行理论(爱氏广义相对论)不适用于宇宙的最初时刻。这是因为有一个所谓普朗克时期(大爆炸后10－43秒)，此时，引力跟自然界的其他基本力的强度大致相当，因此，要想研究奇点的物理状况，就必须用量子引力理论，而这种理论尚不存在。

但物理学家确已提出了应用量子论于引力的构想，其中最有希望的可能是弦论。按照此说，自然界的基本粒子，皆为在九维空间中振盈着的极小的“弦”。而在这九维中，除三维外，其他的维皆蜷缩到比原子还小。这种振盈的基本模式之一，表现为一种无质量的粒子，颇似假想的携带引力的“引力子”。这也是范氏要用弦论来解决奇点问题的原因。他说：“我相信，早期宇宙学是运用和检验弦论的最好地方。”

范氏发现，弦论能在零时刻，把讨厌的奇点除去，因为弦具有尺寸。若时间逆行，宇宙虽收缩，但它不致到达零体积，故奇点不会出现。在大爆炸标准模型中，奇点就像一圈砖墙，而在弦宇宙学中，则没有这样的墙，你可进入大爆炸之前的时代。

大爆炸之前具有时间，还解决了标准模型的另一问题。若你想象空间膨胀逆行(即收缩)到最早期(指10－43秒时刻)，按广义相对论，现在可观察到的宇宙中的全部物质和能量，将压缩到仅1毫米大小的容积之内。光从t=0到t=10－43秒所跑过的路程，只有10－34米。这一点对早期宇宙十分重要。空间中一个区域能“通知”别个区域的惟一途径，是所加的影响(或信息)需具有在区域间往返的时间，而任何影响的最大速度即为光速。由于早期时刻光仅跑了10－34米， 故在10－3米大小的原始宇宙中，拥有完全分隔的10 93个区域，并且它们之间不可能有因果关系上的联系。

问题在于现在的宇宙是均匀的，这不仅在物质密度上，而且在大爆炸留下的辐射温度上也是如此。可是这1093个区域不相连接，那么它们之间是如何取得均匀的呢?

在标准大爆炸模型中，这些区域没有相互了解的足够时间，故无法在从宇宙诞生至普朗克时代的极短时间内，使它们的温度、密度均等化。宇宙学家无可选择，只能拼凑出一个超快膨胀相，使宇宙从一个单一的、信息上相联系的区域，“暴胀”成整个可观察宇宙。但暴胀却无法解释宇宙的均匀性，暴胀虽为放大量子起伏变成现在宇宙中的星系密集提供了机制，但此理论具有自身的问题。例如膨胀空间(即暴胀场)的机制，欲使运行，需极度小心地对待场的初始态，这显然极不自然。

所有这些都意味着，在普朗克时代之前，具有很长的时间，足以使1093个区域中的密度、温度均匀化，而不需拼凑一个暴胀。范氏说：“对宇宙的均匀性来说，前历史(时期)是一条明显的道路。”

前大爆炸时期究竟是怎样的呢?这可从宇宙的对称性中看到线索。标准宇宙学解(弗里得曼大爆炸模型)具有一个十分简单的对称性，它们在时间逆行的情况下不变。换言之，若取负的时间，你将获得另一个解，这个时间逆行的宇宙将收缩到一个大挤压之点，而大爆炸也始于一个密实之点。

弦论的宇宙学解也具有相同的对称性。若使时间逆行，并同时置换宇宙的标量因子(决定宇宙的尺寸)，你将获得一个一般的膨胀宇宙，并且膨胀是加速的。换言之，这是一个暴胀宇宙。范氏说：“对每一个大爆炸解，它们都表明，空间从t=－∞暴胀至t=0，也即暴胀至大爆炸。”

所以弦论暗示出，宇宙从t=－∞直到t=0之前，处于加速膨胀期。而在t=0之后，它转变为弗里得曼大爆炸模型的更为缓慢的减速膨胀。

现在让我们用新眼光来看大爆炸，我们是处在从暴胀转变为膨胀的时期。范氏说：“在大爆炸开始时，宇宙具有最大的曲率、最大的膨胀率和最高的温度。从大爆炸中涌现出来的，并非是一个(时空)开始，而是宇宙历史的一个转折点。”

对于范氏的看法，有的支持，有的反对。密歇根大学的物理学家凯恩说：“我想，很可能大爆炸实际上是宇宙最近的一个阶段。”弦论的一个大优点是，前大爆炸时代具有一种自动的暴胀，有了足够的暴胀时间，便可以均匀宇宙中的密度和温度。但对前大爆炸时代空间演化的描述，仅是事情的一半，我们需知悉，宇宙从什么状态开始演化?其初始条件是什么?它在t=－∞时是什么模样?

在标准模型中，宇宙始于一个非常特殊的态，其温度、密度需是经精密调整，以便在1093个区域内能保持精确地一致。而物理学家总是要去寻找更一般的状态。例如，大家知道，晶体中原子的排列较奇怪，但它是从十分无定形的、远非奇怪的液态演化而来的。范氏说：“同样的，宇宙也是从最简单、最一般的形态演化而来。”

那么宇宙最简单的状态又是怎样?按范氏之见，那是无限的、真空的、寒冷的和扁平的。所谓扁平，是说空间曲率很小。范氏和其同事们，把这种状态称为“过去渐近平凡性”。

并非每个人都同意范氏之说，普林斯顿大学的宇宙学家斯坦哈特说：“这等于假设，在第一地方就是均匀的。范氏并没有解决任何初始条件问题，他只是‘平凡地把自己的初始条件加在它们身上。”

宇宙并非处在平凡之中，否则，我们今天就不会在这里。随着时间的流逝，就会出现较大的起伏，从而造成具有大于平均能量密度的区域，就像今日之宇宙。这些量子起伏足以产生黑洞，也正是如此，我们看到了宇宙的真正诞生。据范氏所说，适用于黑洞内部的弦论解，也同样可以预言前大爆炸时代的那种加速膨胀。他说：“我们的宇宙是黑洞内部的一块。”

范氏和盖斯拍立宁过去几年来一直指出，在宇宙膨胀到接近t=0时，时空曲率日益增大，这导致了温度和能量密度的急剧上升。在零时刻后的一瞬间，在一个毫米尺度的三维区域内的巨大膨胀，看上去颇似标准暴胀理论中的超密、超热那一幕。

当然，任何理论要存活下去，必须提供今日可见的物质粒子。据范氏说，诸如电子、正电子和光子，因空间几何上的起伏，它们魔术般地从虚无中进入存在，这是量子机制的作用。就如在强电场中，能产生电子－正电子时，急变的引力场会导致全部粒子的量子产生。更有甚者，创生的粒子还带有很大的动能，这使得宇宙逐渐变热。范氏说：“这与标准模型不同，在该模型中，暴胀之后才产生粒子并热起来。”

关于前大爆炸时代的情景，几乎跟科幻一样，所不同的是，它提出了几个可供测试的预言，这些都跟标准暴胀论不同。若范氏正确，那么宇宙中应充满引力波的混沌海洋。这是从平凡的过去留下来的。这些引力波很微弱，使用现在的探测器，观测到它们的可能性不大，但范氏认为，第三代的探测器，应能看到这些引力波背景。

前大爆炸的效应，在宇宙微波背景中应能看到。范氏推测说，在微波背景的波谱中，用其不同角度的峰值位置，跟标准理论做一比较，就可得知结果。美国发射的MAP卫星(于2000年11月升空)和拟于2007年发射的欧洲普朗克探测器，都可进行这种测试。前大爆炸概念仍有问题。把宇宙的开始推以更早时期，许多人可能指责范氏过于简单，因为他没有做更多地解释。范氏解释说，这对他太苛刻了。他说：“在前大爆炸理论中，起始(t=0)仍具有意义，但更为平凡和自然，没有像标准理论中那样特殊。我相信，这对标准大爆炸模型是一个重大的改进。”

另一个问题是，在t=0时发生了什么?为什么会从前大爆炸时代的加速膨胀天衣无缝地进入到更为平和的膨胀?这两者的衔接，正是弦论要解决的，但迄今尚不大清楚。

范氏虽至今未找到全部答案，但许多宇宙学家认为，他已为人类做了大量工作。奥白兰切说：“对此，许多人有一种怀疑倾向，而另一些人则乐于听到：已有人打算把弦论与宇宙学结合起来。”

凯恩称赞说：“范氏的想法真好，不过还不清楚他是否正确。但最重要的一点是，认真研究关于前大爆炸物理的可测试模型，是目前的好物理学。”

还有一些人对范氏的态度没有如此积极，斯坦哈特说：“每个人都会赞赏范氏的创造性和魅力。但我想，他走错了路，或者，是一条靠不住的路，已多年了。”

这个风险(走错路)并没有使范氏气馁，他承认，这是可能的。但他说：“我们已砸碎了一座墙(指奇点)。”我们要知道，大爆炸前究竟是什么模样?这不再是禁忌了。