宇宙大爆炸之前是什么？

宇宙从何而来？大爆炸之前是什么？这些都属于科学问题吗？宇宙有所谓的“轮回”吗？

《天问》专栏第七期，为你深度解读天文学家如何解开宇宙起源之谜。

太古之初，一位名叫盘古的沉睡巨人缓缓睁开双眼。他发现周围一片漆黑，于是一斧头劈开了这片混沌，从此便有了天地。盘古死后，他的身体逐渐演化成日月星辰、世界万物……这是我们儿时都听过的美丽传说。

有趣的是，在由真实的科学理论构建起来的现代宇宙学中，宇宙的演化历史竟与盘古开天辟地的神话有着诸多巧合。只不过，“开天地”的主角由盘古变成了一场大爆炸。

热大爆炸宇宙学说是基于20世纪40年代伽莫夫（George Gamow，1904 - 1968）等人的原初核合成理论（Big Bang nucleosynthesis）研究发展出来的。根据这个理论模型（图1），我们的宇宙创生于大约138亿年前的一次时空奇点大爆炸。

在漫长岁月的洗礼下，它从极高温的混沌状态开始演变，逐渐孕育出基本粒子、核子，然后经过原初核合成产生氢、氦的原子核；之后约38万年，宇宙中形成了稳定的中性氢原子与早期的宇宙微波背景辐射（CMB）；接着，在原初密度涨落的影响下，由宏观物质构建起来的大尺度结构渐成雏形；直到宇宙4亿岁时，第一代恒星终于诞生，而最早的星系和类星体则出现在大爆炸后约10亿年。从那以后，由星系和星系团等构成的宇宙大尺度结构开始形成……

最终，我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。 

?图1：热大爆炸宇宙学，图片来源：NASA/WMAP Science Team （https://map.gsfc.nasa.gov/media/060915/index.html）

在宇宙学家眼中，热大爆炸宇宙学已是一个美丽绝伦的故事，它以最简单、最朴实无华却又充满想象力的艺术图像刻画了我们宇宙足足138亿年的历史。可是，故事的开端——大爆炸奇点真的存在吗？大爆炸之前的宇宙又是何种模样？ 

?图2：宇宙源自时空奇点？图片来源：金庄维

追求逻辑合理性与数学自洽性的物理学家很难理解为何整个宇宙来自于一个时空奇点（图2），因为在这个奇点上，所有的物理参量——例如能量密度、曲率、温度——都是无穷大的，而无穷大发散在数学上的描述是不自洽的。这么看来，困扰大家的宇宙起源问题好像更靠近哲学范畴。

为了解决这一理论疑难，宇宙学家们针对大爆炸奇点的物理本性做了大量研究。这段历史可以追溯到80多年前，广义相对论刚刚诞生的时候。

?被奇点诅咒的“孩子”——振荡宇宙

?图3：振荡宇宙，图片来源：金庄维

20世纪30年代，一群研究爱因斯坦引力理论的狂热分子们给出了各种各样的宇宙学解（cosmological solutions），来描绘各种可能的宇宙演化过程。其中，美国引力学家理查德·托尔曼（Richard C. Tolman）指出，宇宙有可能是振荡的，它在演化过程中不断经历收缩 → 膨胀 → 再收缩 → 再膨胀地过程（图3）。

然而，托尔曼在1934年的研究表明，由于热力学第二定律要求一个闭合的物理系统只能容许熵增长，因此振荡的周期会越来越长。根据时间反演倒推回过去，随着振荡周期越来越短，宇宙的最终起点依然是大爆炸奇点。

因为这个问题的存在，再加上热大爆炸宇宙学和暴胀学说在过去半个世纪所取得的巨大成功，宇宙学界对振荡宇宙的研究兴趣在上世纪80年代逐渐淡薄。

?见与不见，就在那里——火劫模型

在有关振荡宇宙的研究艰难前行的同时，一些理论学家也在长年追随着爱因斯坦晚年提出的物理学终极梦想——大统一理论。其中，一类被称为弦论的学术观点逐渐盛行，特别是爱德华·威滕（Edward Witten）在1995年的一次弦论会议中提出的M理论。

M理论认为，空间不只是我们所熟悉的三维，还有更高的维度，只不过这些额外的空间维度都被卷曲了。在更高维度的时空下，我们的宇宙空间完全可以被看成一张三维的膜。

?图4：膜宇宙的碰撞与远离，图片来源：Astronomy Magazine （http://wwwphy.princeton.edu/~steinh/cycliccosmology.html）

受这个疯狂观点的启发，普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和剑桥大学的尼尔·特洛克（Neil Turok）在2001年提出了一个新的循环宇宙模型：我们的膜宇宙会跟另一个几乎平行的膜宇宙在更高的时空维度上发生周期性碰撞（图4）。

在三维空间看来，每一次碰撞就是一次大爆炸，它创生了真实可见的世界。在这之后，膜宇宙会在远离对方的演化过程中，通过暗能量所驱动的加速膨胀过程将过去的印迹洗刷干净，留下极为平坦的膜，为下一次碰撞做准备。由于在这个模型中，宇宙创生是周期性的，如同凤凰涅磐之后火劫重生，因此提出者将其命名为火劫模型（ekpyrotic model）。

?弱水三千，只取一瓢饮——反弹学说

客观地说，从一开始对大爆炸时空奇点束手无策到周而复始、无始无终的火劫模型，物理学家们取得了不小的理论进展。但这个模型毕竟只是一个假说，它面临着两大问题：一是如何利用合理的数学语言来精确刻画这个模型；二是这个模型如何真实地刻画我们的宇宙，并解释在这个宇宙中所发生的一切，特别是我们人类所观测到的一切。

?图5：反弹宇宙，图片来源：蔡一夫

为了回答这些问题，宇宙学家们先将目光集中到只发生一次收缩和膨胀过程的宇宙学图像，并称之为反弹学说（图5）。

在构造这一图像的理论模型中，颇具代表性的有加拿大麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格（Robert Brandenberger）教授与英国朴茨茅斯大学的大卫·沃兹（David Wands）分别独立提出的物质反弹模型（宇宙在收缩时期以物质为主）以及本文作者蔡一夫在攻读博士期间与导师张新民教授提出的精灵反弹模型（宇宙演化可以实现状态方程越过-1的精灵动力学行为）等。

这些模型都可以解决热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。在这类模型中，大爆炸前的宇宙处于一个收缩过程，体积越来越小，直到某一时刻，宇宙收缩到了一个临界的极小值，然后反弹进入标准的热大爆炸膨胀阶段。

反弹学说不仅很好地继承了热大爆炸宇宙学所取得的累累硕果，更让我们避免了那个会让所有物理理论失效的时空奇点，从而推动了热大爆炸宇宙论更进一步的理论发展。

?彼岸花开——反弹宇宙学扰动理论

如果说反弹学说有可能为我们解决宇宙创生那一刻的大爆炸奇点问题，那么接下来我们面对的就是如何证明宇宙曾经历过一段收缩过程。为此，我们需要研究在这个收缩演化期间，有哪些蛛丝马迹可能穿越反弹的过程而遗留至今。

?图6：量子涨落播下宇宙大尺度结构的种子，图片来源：金庄维

幸运的是，无论宇宙在极早期经历过何种演化状态，微观世界的量子涨落总会存在。这些量子涨落一旦被拉伸到了宏观尺度上，形成所谓的原初密度扰动，就将为后来宇宙中大尺度结构的形成提供最原始的种子。

换句话说，我们今天看到的CMB温度涨落，宇宙中丰富多彩的结构：星系、恒星、地球乃至我们自己，都是从宇宙婴儿期的量子涨落演化而来的（图6）。因此，通过研究反弹学说中的原初扰动动力学，将理论预言与CMB、大尺度结构巡天等宇宙学观测数据进行比较，我们就有一线希望来认知和检验反弹学说。这就是笔者耕耘多年的反弹宇宙学扰动理论。

?原初引力波实验：“真相只有一个！”

回到最初始的问题：宇宙到底是来自大爆炸时空奇点，还是从收缩过程反弹而来？对于这些问题，学界众说纷纭，至今尚无定论。但这也吸引了越来越多的宇宙学家进行思考。

其中一个至关重要的任务就是：通过实验观测来进行“考古发掘”。根据宇宙学扰动理论可以得知，不同的极早期宇宙模型给出的理论预言在原初密度扰动和原初引力波上会存在差异。原初引力波是宇宙在极早期所产生的时空涟漪，由于产生时期极早，通过宇宙膨胀所带来的红移效应，它的波长往往会被拉扯得极大，可以跨越整个可观测宇宙的尺度大小。

因此，这类引力波信号是无法用通常的光学干涉方法来探测。幸运的是，我们的宇宙在大爆炸之后约38万年时，为自己拍了一张自拍照，也就是CMB。而原初引力波的信号正好可以通过对CMB的高精度测量来加以检验。

物理学家通过对CMB的研究发现，这些光子不仅携带着黑体谱和温度涨落的信息，还会有偏振状态——那是由光子与电子的汤姆森散射所形成的。如果我们观察CMB天图中不同光子携带的偏振信息，就会发现它们形成了两种截然不同的图样：电场型的E-模式和磁场型的B-模式。我们可以通过对CMB光子的偏振状态进行统计分析来寻找这些偏振信号。

?图7：CMB全天图：从COBE到Planck，图片来源：蔡一夫

宇宙学家在研究CMB的偏振涨落时发现，原初宇宙中的张量扰动（即原初引力波）可以直接导致CMB拥有B-模式的偏振信号。宇宙学家曾试图利用WMAP、Planck等卫星实验将近15年的数据来重构出原初扰动、甚至原初宇宙的模样（图7）。但遗憾的是，截止到目前原初引力波还没有被观测到。

虽然对原初引力波的探索阴影重重，但宇宙学家们依然不懈努力，去苦苦搜寻那些宝贵的原初B-模偏振信号。由于卫星实验造价高昂，且运行寿命和搭载能力都在不同程度上受到了技术的约束，因此，近年来研究人员转向性价比更高、维持运行更长期更稳定的地面CMB观测实验。

迄今为止已经建造和正在规划中的地面CMB观测实验，集中在智利天文台和美国南极极点科考站。在北半球，这仍是一块空白。

为了推进中国宇宙学在CMB领域的实验研究，中国科学院高能所的宇宙学团队牵头，联合国内外多所顶级宇宙学研究单位，正在我国西藏阿里地区建造北半球首个CMB极化望远镜，即阿里原初引力波望远镜（AliCPT，图8）。

该项目计划2020年在阿里天文台海拔5250米处建成阿里一号望远镜并开始观测，在北天区率先实现对原初引力波的探测，并计划通过CMB偏振旋转角的测量来检验物理学中的基本对称性——电荷共轭（C）- 宇称（P）- 时间反演（T）不变性。与此同时，阿里计划还会与南半球的CMB实验合作，形成一南一北，对原初引力波观测进行全天区覆盖。

?图8：阿里原初引力波望远镜台址，图片来源：阿里团队

拨开世间喧嚣，追寻岁月静好。童年的梦想中我们有多少次探寻过，寥廓的深邃星空、无穷的自然真理、宇宙的历史……还有它背后的奥秘。而人类对这一切的苦苦求索，只不过源自那未曾忘却的儿时仰望星空时的那颗初心。

◎参考文献：

1.“科普文引发顶尖物理学家论战，宇宙有没有经历暴胀？”，翻译：蔡一夫、李春龙，编辑：金庄维，《环球科学》（http://www.huanqiukexue.com/a/qianyan/tianwen__wuli/2017/0522/27283.html）

2.“Cyclic model”, https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclic_model

3.“Exploring Bouncing Cosmologies with Cosmological Surveys”, Yi-Fu Cai, Sci.China Phys.Mech.Astron. 57 (2014) 1414-1430, [arXiv:1405.1369 [hep-th]].

4.“Probing the origin of our universe through primordial gravitational waves by Ali CMB project”, Yi-Fu Cai, XinMin Zhang, Sci.China Phys.Mech.Astron. 59 (2016) no.7, 670431 [arXiv:1605.01840 [astro-ph.IM]].

5.“Tibet's Ali: A New Window to Detect the CMB Polarization”, Yong-Ping Li, Yang Liu, Si-Yu Li, Hong Li, Xinmin Zhang, arXiv:1709.09053 [astro-ph.IM].

◎作者简介：

·蔡一夫，中国科技大学天文学系教授。2005年毕业于中科大少年班。2010年于中国科学院高能物理研究所获得理学博士学位，2015年5月通过入选第十一批“千人计划”青年人才引进回国。研究领域：粒子宇宙学，集中在暴胀宇宙、反弹宇宙、宇宙起源问题、大尺度结构的早期形成以及当前宇宙加速膨胀等课题。

·金庄维，北京大学物理学院博士，研究方向：宇宙学，现就职于《环球科学》杂志社。（文/蔡一夫 金庄维）