新研究正試圖為我們理解“萬(wàn)物起源”提供一個(gè)沒(méi)有“開端”的答案。

一

在宇宙學(xué)教材里，大爆炸是萬(wàn)物的開端。

但在物理學(xué)家眼里，這卻是一個(gè)“無(wú)效”的計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)廣義相對(duì)論，回溯到138億年前的那一刻，宇宙會(huì)坍縮成一個(gè)密度無(wú)窮大、體積為零的“奇點(diǎn)”。數(shù)學(xué)上，這叫發(fā)散；物理學(xué)里，這叫失效。我們最信賴的引力理論，在最重要的時(shí)刻，居然“崩潰”了。

最近，《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》上的一項(xiàng)新研究給出了一個(gè)大膽的答案：也許宇宙根本沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)那個(gè)可怕的奇點(diǎn)。 所謂的“開端”，可能只是一個(gè)更宏大、更平滑的量子引力過(guò)程的自然結(jié)果。

二

廣義相對(duì)論是描述引力最成功的理論之一，它解釋了黑洞、引力波和宇宙的膨脹；甚至連GPS導(dǎo)航系統(tǒng)都依賴它修正時(shí)間誤差。但它卻有一個(gè)致命缺陷：當(dāng)能量密度無(wú)限大時(shí)，便會(huì)失效。而宇宙誕生的那一刻，正是這樣一種極端環(huán)境。

這實(shí)際上意味著我們對(duì)宇宙起點(diǎn)的理解，建立在一個(gè)“理論空白區(qū)”上。

來(lái)自加拿大滑鐵盧大學(xué)、圓周理論物理研究所和約克大學(xué)的科學(xué)家，在論文中討論了一種被稱為“量子二次引力（Quadratic Quantum Gravity）”的新理論框架。

三

該框架的核心思想相當(dāng)簡(jiǎn)單：如果把引力方程寫得更完整一些，讓曲率項(xiàng)不僅是一階，還包含平方項(xiàng)，那么在極高的能量狀態(tài)下，依然能夠保持可計(jì)算性。

經(jīng)過(guò)修改的理論不再在宇宙起點(diǎn)崩潰。它暗示我們，奇點(diǎn)問(wèn)題可能只是原始理論不夠完整造成的假象。

現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為，宇宙在其誕生后的極短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷過(guò)一次劇烈的膨脹——宇宙暴漲。暴漲理論解釋了宇宙為何如此平坦，為何如此均勻，以及為何會(huì)出現(xiàn)原初結(jié)構(gòu)的種子。

四

但問(wèn)題是，暴漲需要人為假設(shè)一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的場(chǎng)——暴漲場(chǎng)。至于它的本質(zhì)是什么？來(lái)自哪里？為何存在？卻沒(méi)有人知道。

新研究則認(rèn)為，暴漲可能根本不需要假設(shè)額外的場(chǎng)。它可以直接來(lái)自量子引力本身的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。

這意味著暴漲不再是一種“附加設(shè)定”，而是宇宙自然演化的一部分。

五

科學(xué)家提出過(guò)很多量子引力論，它們都很優(yōu)美，卻無(wú)法檢驗(yàn)。

而量子二次引力論明確預(yù)測(cè)——原初引力波的強(qiáng)度不能低于某個(gè)下限——它的張量-標(biāo)量比至少應(yīng)當(dāng)是0.01。

這意味著未來(lái)科學(xué)家可以在觀測(cè)中直接檢驗(yàn)該理論。如果觀測(cè)不到相關(guān)數(shù)據(jù)，理論就會(huì)被排除；如果觀測(cè)到，那它將成為理解宇宙起點(diǎn)的重要線索。

可供驗(yàn)證，也可供證偽——這正是科學(xué)理論最理想的狀態(tài)。

六

研究人員稱，廣義相對(duì)論可能并非最終理論——它只在低能極限下有效。

就像牛頓力學(xué)并非錯(cuò)誤，只是適用于低速世界一樣，廣義相對(duì)論可能也只適用于低能宇宙——要描述宇宙誕生的時(shí)刻，需要新理論的參與。

而量子二次引力論可以成為候選者。

七

總而言之，如果該理論最終被證明成立，那么將意味著宇宙起點(diǎn)不再是數(shù)學(xué)奇點(diǎn)，暴漲可能來(lái)自引力本身，廣義相對(duì)論只是近似理論，量子引力將進(jìn)入可觀測(cè)時(shí)代。

更重要的是，它把一個(gè)長(zhǎng)期停留在哲學(xué)層面的終極問(wèn)題，變成了可供檢驗(yàn)的科學(xué)問(wèn)題。

八

宇宙的最初一秒，決定了一切。

它決定了空間的結(jié)構(gòu)、星系的形成、元素的來(lái)源、時(shí)間的方向；甚至決定了今天我們?yōu)槭裁创嬖凇?/p>

理解宇宙起點(diǎn)，本質(zhì)上是在回答一個(gè)問(wèn)題——我們所理解的自然規(guī)律在最極端的條件下是否依然成立？

也許未來(lái)幾十年內(nèi)，我們真的可以第一次看到宇宙誕生時(shí)刻留下的引力波痕跡。

那將是人類認(rèn)知的一次極為重要的躍遷。

參考

Ultraviolet Completion of the Big Bang in Quadratic Gravity

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/6gtx-j455