火劫理論在2001年由美國普林斯頓大學物理學家保爾·斯坦因哈特（Paul Steinhardt）和加拿大圓周理論物理研究所的尼爾·圖羅克（Neil Turok）提出。他們認為兩個分立的三維膜會沿著垂直的維度前後震盪，就像是掛在兩條平行晾衣繩上的床單。
基本介紹
- 中文名：火劫理論
- 外文名：Ekpyrotic universe
理論來源,模式,
理論來源
這個理論來源於弦理論，在弦理論中我們所處的世界是至少10維宇宙中的一張低維膜。每一萬億年左右，在每個宇宙都陷入了膨脹所造成的黑暗之後，兩個膜就會彼此靠近並且碰撞，碰撞釋放出一個火球進而使得每個宇宙“重生”。火劫理論包含了許多暴漲的重要特徵，但是也有一些關鍵的不同。根據它的設定，避免了奇點的出現，因為膜的碰撞是一個連續的過程。但絕大多數的理論物理學家仍然相信，暴漲是目前最好的理論
模式
來源：Discover Magazine（2004）
基於M論的宇宙學模型是內爾·圖若克和保爾·斯坦哈特提出的。在蘭德爾-桑德儒模型中，我們有一個邊界蘊含兩類膜的五維宇宙。現在構想將其代替為膜沿體空間的第五維移動。這種思想就是火劫宇宙的起源，這是一種完全根植於弦/M論的模型。特別是，火劫宇宙圖景基於五維雜化M論，該模型採用5維時空進行研究，因為M論中是在11維時空，而將其六維緊縮入一個與宇宙尺度無關的微隅內。
在該模型中，我們正在構想一種永恆存在的宇宙，但它經歷一種循環模式。這種模式開始於一種邊界膜特徵的初始態，存在於一種平直、虛空而冷卻狀態中。它們位於第五維空間邊界，並且相互平行。如前面提到，在火劫宇宙方案中，膜是可動的，所以它們彼此相對運動並發生碰撞。膜碰撞在文獻中叫做火燒（ekpyrosis）過程，常稱為“大爆炸”。從膜碰撞產生的能量創造了膜內物質。在膜碰撞之後，膜相互彈開，並冷卻降溫。最後它們恢復到冷卻的、虛空的、平直的初始態，然後火燒過程再次開始。隱藏在該過程之後的驅動力是純量場φ，它確定了膜間距。這導致宇宙演化先經歷緩慢加速膨脹期，接著是減速膨脹期直至收縮期，如此再次觸發宇宙的反彈和再熱。
這裡描述的宇宙圖景解決了很多宇宙學謎題，如果它是可信的話。第一，讓我們思考膨脹解決的兩類主要謎題：均勻性和各向同性。膨脹論通過假設存在一種場在瞬間打開而導致宇宙指數式擴張，從而找到了一種解決該問題的途徑（解釋了為什麼宇宙是均勻而各向同性的）。然而，這種膨脹宇宙圖景已被胡亂地作了量化，不得不令人懷疑這種場閃一下就打開、忽然又關閉的理論，這在整個宇宙學歷史上難以再看到。所以，火劫宇宙圖景不得不提供某種東西。
在火劫宇宙圖景中，有兩個平直的平行膜，就像兩塊靠近的完全平坦的金屬板一樣碰撞。既然膜是平行的，它們沿膜在所有點同時發生碰撞（幾乎任何地方，暫不考慮量子理論的干擾）。這種作用增加了宇宙火燒溫度。這解釋了宇宙為何各向同性以及宇宙微波背景為何均勻---宇宙開始於在所有點發生相同的初始碰撞。
平直疑難可通過將膜的初始條件設定為真空態而得以解決。在真空態中，膜是平直而虛空的，所以沒有神秘的物質密度精調以使宇宙變為平直。合理的假設是，真空態中的膜啟動，促使它們變得平直。
當然，量子論意味著一切遠非描述的那樣精確。膜內的量子波動稱為膜紋（Brane ripple），導致膜沿第五維運動。這些波動意味著並非膜上每個點在完全相同的瞬間與其它膜發生碰撞。反之，大多將在某段平均時間內發生碰撞，而有一些比平均時間更早發生碰撞，有一些則比平均時間更晚發生碰撞。因此，並非是在絕對一致的溫度條件下產生宇宙，碰撞將產生這樣一種宇宙：某些區域略低於平均溫度（因更早碰撞），而一些區域略高於平均溫度（因更晚碰撞）。而這些就是宇宙用來產生大尺度結構（如星系）的種子，量子效應可產生宇宙大尺度結構。這就為宇宙中的極大與極小尺度之間提供了一種聯繫。
廣義相對論的一個令人討厭的特徵是理論中存在“奇點”，即曲率（引力場）和溫度發散至無限大的時空點。“大爆炸奇點”就是這樣一個例子。
在火劫模型中，奇性比經典廣義相對論大為減弱。兩類膜對面運動，發生碰撞，然後彈開，再返回其初始位置。大爆炸是一種有限高溫事件，這不對應無限曲率的奇性。而無需神奇的菲亞特推測的那種誕生全部物質、空間和時間的無限小的點。但當兩類膜碰撞時，在“大擠壓”（Big crunch）時存在奇性行為，因為膜之間的額外維消失於碰撞中。在膜分離之後，彼此遠離，額外維再次出現。當然，這種模型去掉了廣義相對論的多數奇性行為，卻難以相信時間和空間永恆存在。最後，實驗和觀測將以科學的方式確定該圖景是否接近真實。
火劫圖景回答了宇宙學的另外一個謎題---物質的起源。在膜碰撞中，動能被轉化為熱或熱能。這恰如一輛車發生撞擊，車子的動能轉化為熱。對於膜世界那種情況，熱能可通過愛因斯坦關係式E=mc而創造出物質。
目前火劫圖景方案就是所謂的宇宙輪迴模式。它認為：
·大爆炸不是時間的起源。
·宇宙永恆存在，並以膜的反覆碰撞運行。
宇宙歷史循環經歷如下情景：
·兩類膜碰撞假設大爆炸在宇宙輪迴之間起著過渡作用，並產生了物質和輻射。
·在熱大爆炸期間產生了宇宙大尺度結構。
·接著是緩慢的加速膨脹期，宇宙冷卻而稀釋。
火劫圖景提供了解釋宇宙膨脹的一種候選方案，可解釋很多宇宙謎題。令人驚喜的是，還具有可觀測檢驗的特徵（至少原則上）。膨脹論預言引力波是標度不變數（scale invariant），但這在火劫宇宙模式中，這不是必然結論。
註：此節摘自鄭中譯《弦論揭秘》。
