火宇宙理論

火宇宙理論（ekpyrotic universe）是一個宇宙學理論。

基本介紹

• 中文名：火宇宙理論
• 外文名：ekpyrotic universe

有關提要

大爆炸理論認為，時間有一個開始，宇宙只有137億年的歷史。但一種嶄新理論認為，我們的宇宙並非誕生於一個沒有時間的奇點，而是在更大的、無法探知的十維大宇宙中，不同“膜”碰撞的產物。

國際先驅導報

宇宙是怎么來的？根據現在廣為接受的大爆炸宇宙理論，整個宇宙乃是137億年前由一個奇點大爆炸膨脹演化而來；現在宇宙仍在加速膨脹。大爆炸理論推斷時間有開始，最終宇宙也會走向終結。

最近，美國普林斯頓大學宇宙學家保羅·斯坦哈特和英國劍橋大學宇宙學家尼爾·圖羅克提出一種新宇宙模型，認為宇宙從來就沒壓縮成一個奇點，也不是在一次猛烈的爆炸中誕生的；相反，我們現在所知的宇宙其實是一個有著更高維度的、極其宏大的宇宙的一小部分，其高維度是我們不能感知的。

“大爆炸”其實是我們的三維世界與另一個三維世界相碰撞的結果，兩個世界的距離不超過1個質子大小，但就因為這點距離而彼此看不見。而且，“大爆炸”只不過是在過去和未來無限輪迴的宇宙碰撞循環中的一次，我們宇宙137億年的歷史只不過是無限時間中的一瞬間。

理論來源

斯坦哈特和圖羅克的這一宇宙生成理論，來源於試圖對巨觀世界和微觀世界做最終統一解釋的超弦理論。超弦理論認為，空間並不是我們肉眼所見的三維，實際上有多達10個維度，正如一張晾在繩索上的二維床單是懸掛在一個三維世界裡一樣，所有時空連續都懸浮在具有更高維度的空間中。遵循這個床單比喻，可以形象地把我們可觀察的宇宙描述為一張漂游在十維大宇宙中的“膜”。

1998年，美國賓夕法尼亞大學物理學家伯特·奧盧特在英國劍橋大學舉行的一次宇宙學會議上提出：如果我們生活的世界是一張漂浮在多維空間中的“膜”，為什麼不可以構想還有其他類似的膜漂浮在這多維空間中呢？超弦理論完全不排除這種可能性，而且如果其他的膜存在，它們就可能相互影響。

當時坐在聽眾席中的斯坦哈特大受啟發。他猜想，如果膜與膜之間的相互作用是一種碰撞，那么這種碰撞將產生極其巨大的強烈反應，因為每一張膜都擁有巨大量的能量和物質。這種碰撞所釋放的能量之大足可以和通常所說的“大爆炸”相匹敵。

同在聽眾席上的圖羅克也這么認為，兩人在奧盧特演講完後一起找他進行更深入的討論。三人都認為兩塊膜碰撞，會在宇宙中導致戲劇性的巨大事件。一種新宇宙理論自此開始形成。

18個月的計算

根據暴漲理論，宇宙最早是極熱極密的一個點，隨後經歷了一個非常短暫而巨大的暴漲過程。斯坦哈特他們的新理論則構想：宇宙也許實際上是從又冷又空的地方開始的。如果情況真是這樣的話，那么從膜相撞這個概念出發，就可為隨後一直進行的擴張過程提供簡潔的說明，而不必求助於“暴漲”。

為簡單起見，他們假定膜是平的，並且相互平行。他們也假定膜中沒有包含物質，但是根據量子理論和愛因斯坦狹義相對論，這樣的膜並不虛無，而是包含了巨大的能量。因此，兩塊空空的膜相遇，仍然會是極其劇烈的碰撞。

經過一年半的艱苦數學計算，這些研究者終於認識到，兩塊膜相撞能夠形成一個火球，進而創造出一個與我們可觀察的宇宙一樣的宇宙。他們經計算認為，在碰撞發生前，隨著兩塊平坦的膜相互靠得越來越近，它們之間的力會使它們起皺，猶如平靜的湖面上泛起一圈圈漣漪。結果，這兩塊膜並不是全部立即碰撞，而是隆起的部分先碰撞。

這種不均勻的碰撞，進而導致不均勻的能量爆炸——碰撞產生的火球儘管各處密度一樣，但在隆起的部分會比較熱一點，而在低陷的地方則會涼一點。

他們認為，我們的宇宙在第一代恆星和星系形成之前就是這個樣子。我們知道，由宇宙早期遺留下來的熱量構成的宇宙微波背景輻射就是不完全均勻的，在宇宙不同部分有一些細微溫度差異。

2001年7月發射升空的威爾金森宇宙微波背景輻射各向異性探測器（WMAP）精確地繪製了這種溫度差異的分布圖。在大爆炸宇宙模型中，那些較熱的地方被認為是由量子噪聲造成並由暴漲能量場放大的。在斯坦哈特他們的模型中，這被認為是由於膜起皺演變來的。圖羅克說：“讓我們甚為驚奇的是，經過巨量複雜的計算，我們發現膜的碰撞能形成與觀察到的溫度不均完全一樣的圖案。”

研究者隨後研究了膜碰撞後，在各塊膜中會發生什麼。計算表明，這種碰撞在各塊膜中會產生宇宙規模的巨大的純能量火球，這種爆炸讓這兩塊膜再次分開。而後，隨著充滿於我們的膜中的那個火球開始冷卻，其中的能量經歷一個相變過程，就像水結成冰，這種相變釋放出的一種力能使宇宙開始膨脹。火球中溫度較高的部分凝結成物質塊，最終演變成星系團，而較涼的部分則變成星系團中的虛空部分。

他們把這種宇宙理論叫作“ekpyrotic universe”（火的宇宙），ekpyrosis在希臘語中的意思是“大火”，古希臘斯多葛學派的宇宙模型就認為宇宙是一團大火，處在誕生、冷卻和再生的永恆循環中。

“火宇宙”模型後半部分和大爆炸模型所說的一個大火球膨脹演化出今日宇宙很相似，但是在“火宇宙”模型中沒有了暴漲過程，而是從一開始就有著惟一促使宇宙擴張的力，這種力至今仍然在起作用，使宇宙一直保持加速膨脹，越來越快。這就可以解釋現在所謂的暗能量。

兩位研究者在進一步計算後認為，我們現在所處的階段實際上是一個非常漫長過程的開始，而這個過程最終將導致一個空蕩蕩的宇宙。經過幾萬億年後，宇宙中的物質平均密度將非常接近於零，一切有意義的差別都將被抹平。

這個結果和大爆炸理論所預言的宇宙末日圖景也是一樣的，但是“火宇宙”理論並不終結於此，斯坦哈特和圖羅克認為，在遙遠的未來，另外一個三維世界即另外一塊膜在與我們的膜相撞後，還會與我們的膜在類似引力的力作用下再次靠近、碰撞，從而導致另一次“大爆炸”。而且，這樣的碰撞循環是無限的。

對於這一宇宙模型，物理學家們還在觀望，多數人並沒有立即表示歡迎，但一些人認為很值得關注。普林斯頓大學天體物理學家、WMAP研究團隊的成員戴維·斯皮爾蓋說：“宇宙學早晚要和超弦理論聯繫起來。有好幾種思想試圖和暴漲理論競爭，它們也許最終都會被證明是錯誤的，但我要說這種‘火宇宙’理論最有可能是正確的。”

如果真的是這樣的話，我們就得好好再思考自己在宇宙中的位置了，實際上，我們要思考的是宇宙本身。

大爆炸理論並非無懈可擊，問題不只是該理論要求時間和空間有一個開始，問題還在於宇宙學家越試圖完善這一理論，事情就越混亂。

最早的大爆炸模型比較簡單：一個熾熱的、密度極大的能量點向外爆炸，逐漸冷卻為物質，演化成星星，並一直保持擴張。上世紀80年代，一種更精緻的大爆炸理論——暴漲理論誕生，並很快成為宇宙學的主導理論。暴漲理論認為在宇宙誕生的萬萬萬萬分之一秒的極早期經歷了一個暴漲（指數性擴張）過程，然後才以穩定的、相對緩慢的速度膨脹。這似乎是把新生的宇宙彌散開來的惟一方式，似乎有某種巨大的能量場在此起了大作用。但我們在現今宇宙中看不到任何類似這種能量場的東西，一些宇宙學家因此假定這種能量場也許只在大爆炸後的瞬間存在，然後就消失了。

召喚一種新的、未知的能量場來解決問題，既有悖常識又不合科學的簡潔性原則。這種簡潔性原則，常常表述為“奧卡姆剃刀”，指對自然現象的最簡單解釋通常都是正確的解釋。一個例子是托勒密地心說，認為地球是宇宙的中心，所有天體都圍繞地球旋轉。但觀察發現行星的運動並不是沿圍繞地球的單一軌道運行，信奉托勒密地心說的學者為解決這個問題提出“本輪說”，認為行星在其大圓軌道上還作小圓運動；但進一步分析表明，這還是不能很好地解釋所觀察到的現象，於是那些學者又在本輪上增加本輪……後來哥白尼提出日心說，克卜勒指出行星軌道是橢圓的，很簡潔地就解釋了行星運動，完全不必依賴複雜的“本輪”，舊學說因此被擯棄。

但“暴漲”似乎是必要的一種複雜性，沒有這個過程，宇宙會是與現在很不同的樣子。但一些宇宙學家認為，把“暴漲”考慮進來，就像是給托勒密地心說加上本輪一樣。現在，據信在推動宇宙加速膨脹的暗能量說，又使大爆炸理論更加複雜，因而斯坦哈特他們的新宇宙理論試圖克服這種複雜性。