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宇宙诞生于大爆炸,那大爆炸之前呢?

王一 发表于  2017-05-16 15:05

本文要讲的大爆炸,不是这个大爆炸…… 图片来源:维基百科

开宗明义,今天讲大爆炸,不是乐队大爆炸之思密达,也不是生活大爆炸之夏侯惇,今天我们讲热大爆炸宇宙学,之前传。

热大爆炸宇宙学,讲的就是我们现在这个宇宙在膨胀。

吃瓜群众不耐烦了:“我等着爆炸听响儿呢,你讲个球宇宙膨胀!”

好,太形象了!我们现在就把宇宙膨胀想象成一个膨胀的球(嗯,这就一个形象的想象。我们的宇宙大概是平的,目前还没有证据说宇宙顶个球)。现在我们生活在一个大球上,越来越大。换句话说,在宇宙特别早期,这球特别小。早期宇宙中的各路物质和辐射挤在一起,所以这球特别致密,特别炎热。

那宇宙的特别特别早期呢?特别特别特别早期呢?约140亿年前,宇宙趋向于无穷炎热。都无穷了,没法再亲热了。我们把这个时候当成一个开始吧,就是宇宙的热大爆炸,简称大爆炸。(人艰不拆,不要老跟人家早期宇宙提热,正没处冒汗呢!)

宇宙膨胀,就好像一个膨胀的球。图片来源:Phys.org

吃瓜群众要问了:“人家核试验搞大爆炸还得准备一个,你宇宙大爆炸怎么说炸就炸出来了?”

这问题问得太有水平了!这里我们不说超越视界的关联函数,不说宇宙的平坦性问题,就跟亲掏心窝直说,这宇宙大爆炸还真得准备一个。这宇宙大爆炸不仅要拍前传,而且剧本还有好几本。

提到大爆炸以前,其实也没啥深奥的。就好比炸弹爆炸以前还有个还没爆炸的炸弹,宇宙大爆炸以前还是有宇宙、时间和空间的。我们问的只是那个热乎的宇宙是怎么爆炸出来的。怎么爆炸出来的呢?可能的理论还不少,咱们一一道来。

宇宙大爆炸之前,是什么过程引发了大爆炸呢?图片来源:solarviews.com

前传四大剧本:暴胀弦气火劫反弹

早期宇宙第一大剧本叫暴胀。暴胀宇宙学认为,宇宙早期加速膨胀。

吃瓜群众:“牛顿说了,引力是吸引的,所以宇宙不能加速膨胀。”

可是啊,这个宇宙的神奇早就超越了正常人能想象的下限。当前宇宙加速膨胀已经在1998年被发现了,早期宇宙凭啥不能?看到现代宇宙学居然长这样,爱因斯坦都得一脸懵文明用语。在早期宇宙言必称牛顿,小心让人当牛给炖了。

其实,如果宇宙的主要成分一直是本本分分的物质,不乱跑、不打滚,那么牛顿引力还是可以勉勉强强描述宇宙演化的。可惜,宇宙中曾经充满了乱跑的辐射(速度约光速的相对论性物质,压强很大,牛顿引力不能描述过大的压强)和打滚的场(比如电磁场就是一种场,这里我们主要考虑更简单的“标量”场,滚动的场可以造成负压强)。这些货,牛顿引力就hold不住了。特别是慢慢滚开着的场,破坏了引力要吸引的规章,引领早期宇宙加速膨胀,是为暴胀。目前我们还不知道暴胀期间宇宙的能量有多高。不过一般认为,暴胀期间宇宙的能量标度可达目前对撞机(比如大型强子对撞机)能量的10的10次方倍。暴胀末年,驱动暴胀的滚开场陨落,衰变成乱跑的辐射。从此大爆炸前传收场,热大爆炸开篇。

暴胀宇宙学,关键在于宇宙加速膨胀。现在的宇宙,就正在加速膨胀。图片来源:Coldcreation

暴胀宇宙学获得了巨大的成功和大多数物理学家的青睐。不过,除了暴胀,也有几个其它候选剧本,在一定的设定下也能解释目前的观测。

比如弦气宇宙学。大家注意发音,跟我念,弦~气~宇宙学,不是嫌~弃~宇宙学。弦气宇宙学认为,“天地有正气,杂然赋流形”。要说正气,粒子组成的普通气体不够正。咱考虑用弦组成的全息气体。【啥叫粒子啥叫弦?参见嘎达汤对决面条;啥叫全息?你头脑里想啥(空间体积中的信息),都从脸上看出来(全然体现于其边界),这是一个看脸的世界。】弦组成的气体,杂七杂八地束缚在时空流形上,拖累得宇宙只能缓慢膨胀。直到最终,束缚解开,宇宙大爆炸正剧开场。至于怎么具体描述缓慢膨胀的弦气,还需进一步研究。

比如火劫宇宙学。古人说“凤凰身宇宙”,那宇宙能不能像凤凰一样涅槃一个?火劫认为,宇宙早期缓慢收缩,通过火劫,反弹成膨胀的宇宙。要问火劫宇宙有啥困难,看过修仙小说没?困难就是渡劫。一旦没渡好,把宇宙轰成渣了,还能不能接着好好膨胀,假装岁月静好?如何渡劫,是火劫进一步研究的关键。要是再有点追求,修仙小说的主角哪有只渡一个劫的?丘处机说,“任循环宇宙,不管东西”。宇宙循环着渡劫,就成了循环宇宙分剧本。

宇宙早期有可能是另一个宇宙,缓慢收缩然后再反弹膨胀。图片来源:pbs.org

再比如非奇异反弹宇宙学。和火劫不同,非奇异反弹在收缩的时候麻利点,不磨磨蹭蹭,然后反弹的时候温柔点,不渡劫。这主意不错。不过收缩的时候太麻利,把宇宙整的太不均匀不各向同性了咋办?“不患寡而患不均”。要是宇宙不各向同性了,重新把宇宙熨平的麻烦可不是盖的。

当然,就算不幸的剧本各有各的不幸,存在替代剧本总是件好事。人们评价好坏,都是相对而言。没有垫背的,怎么知道暴胀剧本好?所以说,就算思想再正统,别埋怨人家“异端塞宇宙,不能别渭泾”。再说,就算替代剧本目前还不那么靠谱,但是万一哪天实现了呢?

大爆炸前传,到底闹哪样?

说了半天,这么多剧本,到底演哪个?

作为一名理论工作者,我负责任地告诉各位,物理学是一门以观察和实验为基础的科学。剧本彼此不服?跑个分呗!(科学实验中跑的分,就是利用卡方统计及其推广,对比理论预测和观测数据,以此区分哪个理论更加符合观测。)

这分怎么跑?可不是装个app那么简单。因为我们生活在大爆炸140亿年以后,没办法回到大爆炸以前,把大爆炸之前的影像,一帧一帧地偷拍回来。虽然我们看得越远,时间越早,但是大爆炸以后宇宙要过38万年才变得透明。大爆炸之前的宇宙,不给人类看透。

好在,我们还有间接的办法。通过观察现在的宇宙,不同地点密度变化的关联函数,确实可以得到一些大爆炸以前的信息。但是,还是用电影来打比方,我们目前得到的信息好比电影预告片:看着精彩,但是不知道每个镜头之间的时间顺序。按不同剧本,宇宙可以加速膨胀(暴胀)、缓慢膨胀(弦气)、缓慢收缩(火劫)、迅速收缩(非奇异反弹),但是预告片上也没明说哪个镜头早,哪个镜头晚,相差多长时间。不同剧本的宇宙演化历史,预告片上看不出区别,咋整?

假如说一个电影预告片足够高清并且没有穿帮,那么应该会找到些时间的蛛丝马迹。比如眼尖的观众发现,有个演员戴的表上显示了日期,把预告片按这个表显示的日期顺序重排一下,问题解决,妥妥剧透。(演员:我去年……)

原初宇宙中重粒子的振荡可以被用来作为标准时钟,以此揭示宇宙大爆炸的起源。图片来源:王一、陈新刚

2015年,陈新刚(美国哈佛大学)、Namjoo(美国麻省理工)和我把这招用在了宇宙学上,利用重粒子,提出了一个早期宇宙不同剧本的跑分方法

重粒子和宇宙学有什么关系?这事说来话长。2009年,陈新刚和我开始研究早期宇宙中的一个配角,就是这重粒子。在早期宇宙中,重粒子戏份可能不是最多,但是足够出彩。这是因为,重粒子产生的宇宙密度关联函数,是关联函数界的一朵奇葩,和早期宇宙中的其它现象产生的关联函数相比,细看形容,与众各别:重粒子传(liu)播(da)的步伐稳定(量子力学中一个具有确定能量的状态,经过一定时间,波函数变化一个相位,这个相位使得关联函数随着形状不同而呈条纹状)。用我们2015年文章中的语言,重粒子溜达的步伐是一个标准时钟(详见《“原初标准时钟”有望揭示时空起源真相》一文)。也就是说,重粒子确实是戴表演员,可以给预告片中的片段标记时间顺序。

换句话说,把早期宇宙不同剧本中重粒子关联函数的理论预言,和未来对宇宙密度关联函数测量的实验数据相比较,其符合程度,就是区分早期宇宙不同剧本的跑分。

吃瓜群众:“没图没真相!”

好吧,你赢了,不同剧本理论上长这样

理论终归是理论。这个跑分方法对未来实验技术提出了严峻的挑战。前面我们打比方的时候说,预告片要足够高清,以至于能看清个表。宇宙学中,为了给宇宙的密度拍出全高清预告片,还有待微波背景辐射、望远镜巡天、21厘米谱线等各种观测手段的发展。

全程高能!早期宇宙对撞机

我们前文讨论的重粒子问题,也可以换个角度来看。为确定起见,我们按最流行的暴胀剧本来说。如果未来的观测看见了重粒子的奇葩关联函数,除了验证暴胀剧本,还告诉我们什么呢?

对,还告诉我们,发现了重粒子(就是说,要看见耍猴先得有个猴)。这是在什么情况下发现的重粒子呢?前面我们提到,暴胀宇宙全程高能,比人类可预见的将来制造的任何对撞机都要高能。所以说,啊,粒子物理对撞机上日夜盼望着的新粒子,啊!

吃瓜群众:“你一个搞宇宙学的,忽悠啥粒子物理?尼马!”

尼马:“喊我干啥?”

你心中的尼马可能是这样的:

但物理学家心中的尼马可是这样的:

此人全名尼马·阿尔卡尼-哈米德,乃美国普林斯顿高等研究院教授,同时还是中国高能物理前沿研究中心主任,江湖人称“头脑中的想法之多,装满了全息熵限”(于是脸上也仿佛露出了迷之微笑呢)。所以不要动辄一万头草莽的尼马呼啸而过,头脑中信息太多,小心形成黑洞毁灭地球。

尼马与皇马(全名:璜·马尔达西那,亦为普林斯顿高能研究院教授,曾创立AdS/CFT大法)在2015年撰文《宇宙对撞机物理》。此文析缕分条,进一步揭示了重粒子在早期宇宙中产生奇葩关联函数的物理机制。二马发现:重粒子的效应可以分为两类,量子涨落产生的虚粒子和时空几何热力学产生的实粒子。重粒子的奇葩关联函数正是由其中的实粒子部分产生的,条纹形的奇葩关联函数可以看成是重粒子在早期宇宙中的双缝干涉条纹。看到这样的条纹,重粒子,就是你,没跑了!仔细分析重粒子的干涉条纹,可以知道重粒子的质量是暴胀期间哈勃参数的几倍,以及重粒子的自旋,甚至对称性等信息。

那以后宇宙学观测中看到了重粒子咋办?是新物理学,还是粒子物理标准模型粒子穿了个马甲(德西特空间中的质量修正)?陈新刚,我,和鲜于中之(美国哈佛大学)在去年的一系列工作中,计算了粒子物理标准模型中的粒子在暴胀期间的表现。

要是发现的重粒子能和我们的计算对得上号,那么说明,粒子物理标准模型跨越了这么多能标还是没啥长进。这事听起来挺沮丧的。不过,“林间花自飞,物理不应悲”,也不是说人造对撞机实验上面就没新物理了。新物理可能藏在对暴胀不敏感的地方。这对于人造对撞机上去哪儿找新的粒子物理,具有参考价值。

要是发现的重粒子超出了我们的计算,那就出大事了。自从粒子物理标准模型创立,四五十年来,对撞机上发现的所有粒子还没有超出粒子物理标准模型。要是宇宙对撞机撞出一个(或者撞出一窝,多多益善),那就是在遥远的能标上,点亮了新物理学的星星之火。撞出的究竟是个啥?粒子物理中那么多超越标准模型的理论,穿上马甲秀一秀,总有一款适合你!

您看,大爆炸以前已经闹成这样了,还不赶快造台望远镜去看热闹走起~~(编辑:Steed

热门评论

  • 2017-05-17 08:05 好困_63305

    用所谓通俗语言却把文章的立意搞得一塌糊涂,不知道在说什么,把本来简单的东西说得完全摸不着头脑

    [70] 评论
  • 2017-05-16 16:26 hi文艺小清新

    这讲的不是大爆炸,讲的是屁吧

    [51] 评论
  • 2017-05-17 00:59 Mohanson

    作者,语言杂乱,文章没有观看价值,建议丢弃。

    [40] 评论

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全部评论(61)
  • 1楼
    2017-05-16 15:25 第一步

    更希望作者能给出一个对自学者友好的理论物理学习目录和脉络图

    [2] 评论
  • 2楼
    2017-05-16 15:48 毛骡 金属材料学博士

    还是没有回答?宇宙怎么开始的?有起点吗?

    [2] 评论
  • 3楼
    2017-05-16 16:26 hi文艺小清新

    这讲的不是大爆炸,讲的是屁吧

    [51] 评论
  • 4楼
    2017-05-16 16:26 天降龙虾

    这不是大爆炸之前,虽然大爆炸也没有“之前”的说法,但这明明是在大爆炸之后了呀。。。重粒子都产生了嘛。。。。。。。

    另外,虽然粒子对撞机没有撞出超越标准模型的粒子,但据说连标准模型预言了的粒子也没撞出来啊。。要是望远镜最终看不到重粒子的条纹怎么办??演员表示:我去年没钱买表。。。

    [0] 评论
  • 5楼
    2017-05-16 16:37 司南9527

    超出大学本科的物理学,都是玄幻故事。有本事写在教材里教学生。。。。

    [1] 评论
  • 6楼
    2017-05-16 17:04 晨光01

    吃瓜群众一边吃瓜一边问:

    大爆炸范围内的物体都包含哪些?除了140亿光年范围内的一切星体之外,范围外的星体、物体在哪里?在不在你说的“宇宙”之外?

    还是一边吃瓜一边等待下一次主讲出场……

    [0] 评论
  • 7楼
    2017-05-16 17:51 怀璧

    每个字都认识

    [6] 评论
  • 8楼
    2017-05-16 18:02 蓝胖pang
    引用@国产零零七 的话:我在想,在某一时刻,宇宙A在爆炸,宇宙B也在爆炸,它们相互爆炸到对方内部去了怎么办?

    平行世界?

    [0] 评论
  • 9楼
    2017-05-16 18:30 皮皮大虾

    宇宙大爆炸之前有六个奇点

    [1] 评论
  • 10楼
    2017-05-16 18:37 已注销用户

    这文章太不严谨了,吃瓜群众看的东西能放到果壳网上?

    [7] 评论
  • 11楼
    2017-05-16 18:41 改昵称是个技术活
    引用@国产零零七 的话:我在想,在某一时刻,宇宙A在爆炸,宇宙B也在爆炸,它们相互爆炸到对方内部去了怎么办?

    那样的话, 应该就能看到不同的红移了.

    [0] 评论
  • 12楼
    2017-05-16 19:14 钳子叔

    这有点太"通俗"了吧

    [3] 评论
  • 13楼
    2017-05-16 19:49 闹钟杀手齿轮酱

    以前在知乎上看到说,“之前”是个时间概念,我们的宇宙的时间轴开始于大爆炸。。。所以大爆炸没有之前。。。(具体说法忘了,只记得个大概意思)

    [0] 评论
  • 14楼
    2017-05-16 19:53 汉尼拔wang

    我想问鲜于中之是匈奴人吗? 我是不是关注偏了~

    [1] 评论
  • 15楼
    2017-05-16 21:47 N维空间

    写的很通俗,通俗用语用的很专业,所以更看不懂了

    [8] 评论
  • 16楼
    2017-05-17 00:50 幼发拉底

    讲真,这篇科普写得不怎么样,莫名其妙的插科打诨,以为这样能接近公众,实际上更糊涂了,远不如霍金写的《时间简史》那样平易近人。

    [18] 评论
  • 17楼
    2017-05-17 00:59 Mohanson

    作者,语言杂乱,文章没有观看价值,建议丢弃。

    [40] 评论
  • 18楼
    2017-05-17 03:13 张家界一枝花

    科学人可以试着写篇文章分析下,为什么这篇文章是一次失败的科普写作尝试,我想会很有意思。

    [6] 评论
  • 19楼
    2017-05-17 08:05 好困_63305

    用所谓通俗语言却把文章的立意搞得一塌糊涂,不知道在说什么,把本来简单的东西说得完全摸不着头脑

    [70] 评论
  • 20楼
    2017-05-17 08:27 周泰西

    大爆炸之前是coding和compile

    [0] 评论
  • 21楼
    2017-05-17 08:54 刘公子是小布尔乔亚

    其实……每个字我都认识的

    [0] 评论
  • 22楼
    2017-05-17 08:58 一场悲剧
    引用@周泰西 的话:大爆炸之前是coding和compile

    花了那么久coding & compile,最后一运行就boom,过了几百亿年大家还没找到boom的原因

    [0] 评论
  • 23楼
    2017-05-17 09:02 ziggle

    大爆炸之前是万宗模收集数据,然后说“要有光”。

    [0] 评论
  • 24楼
    2017-05-17 11:43 mark_w

    我把楼上批判这文章的评论全顶了一遍。想通俗不是毛病,毛病是思维混乱,提了问题不回答,干扰性的语言太多。

    [8] 评论
  • 25楼
    2017-05-17 13:06 Heat0n

    以为标题是设问,原来特么是疑问。。。浪费时间

    [4] 评论
  • 26楼
    2017-05-17 13:42 ozone001

    近年来在果壳网经历的最糟糕的阅读体验,没有之一。

    [7] 评论
  • 27楼
    2017-05-17 13:47 叶迎风

    我有一个复旦物理学的同学叫王一,不会就是你吧!

    [0] 评论
  • 28楼
    2017-05-17 14:01 光..时光

    最近果壳的文章质量越来越差了

    [3] 评论
  • 29楼
    2017-05-17 14:36 lengchanster

    喂,光明区区长孙连成吗。我知道大爆炸之前的事

    [1] 评论
  • 30楼
    2017-05-17 15:55 其实我就是你
    引用@国产零零七 的话:我在想,在某一时刻,宇宙A在爆炸,宇宙B也在爆炸,它们相互爆...

    这要根据宇宙的规则而定,允不允许的问题,允许的话就会被影响,不允许反之。

    [0] 评论

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王一
王一 香港科技大学物理系助理教授,本文所述研究的合作者之一

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