大爆炸之前宇宙两种猜想：循环模型和量子涨落

宇宙的起源是科学界最为神秘和引人入胜的话题。它关乎着我们的本质和命运。为了探索这个问题，我们不断地观测、思考和实验，逐渐建立了一套科学的理论和方法。目前，最广泛接受的宇宙起源理论是“大爆炸理论”，它认为宇宙是从一个极其高温高密度的状态急剧扩展到今天的广袤宇宙。然而，大爆炸之前宇宙是什么样子？又是什么引发了宇宙大爆炸？依然是宇宙的终极谜题，本期内容我们就来聊聊这些话题。

大爆炸理论起源于20世纪初，当时天文学家们发现了宇宙中星系的光谱普遍表现出红移现象。红移意味着这些星系正在远离我们，这暗示着宇宙在膨胀。根据这一发现，科学家们提出了一个革命性的观点：宇宙从一个极其密集和高温的状态开始，在大约138亿年前经历了一次剧烈的膨胀，这一事件被称为“大爆炸”。大爆炸理论的核心思想是宇宙不仅在空间上膨胀，而且在时间上也有一个起点。从这个起点开始，宇宙中的物质和能量迅速扩展和冷却，逐渐形成了今天我们所见的星系、恒星、行星和其他天体。到目前为止，我们认为大爆炸之前就是虚无，宇宙中的所有物质和时空都是从这个虚无中诞生出来的，但问题是大爆炸之前宇宙是什么样子？又是什么引发了宇宙大爆炸？

虽然这个问题目前无法回答，但科学家也想到了两个可能的答案，当然这些答案并不是既定的事实，而是一种合理的猜测，关于宇宙起源，第一种推测就是循环模型。循环模型的核心思想是宇宙并非从一个独特的奇点开始，而是经历了无数次的循环过程。这种循环包括两个主要阶段：膨胀和收缩。在膨胀阶段，宇宙从一个极其密集和高温的状态迅速扩展，类似于我们所理解的大爆炸。而在收缩阶段，宇宙逐渐回缩到一个高密度状态，最终引发下一次膨胀。循环模型中一个关键概念是“大反弹”。这一假设概念认为，在每一个宇宙周期的末尾，宇宙不会完全坍缩成一个奇点，而是会在达到某个极限密度后，反弹并开始新一轮的膨胀。这个过程可以避免宇宙在坍缩时进入一个无穷小的奇点状态，从而解决了大爆炸理论中的奇点问题。

循环模型面临的一个重要挑战是解释每个循环中的能量守恒和熵增问题。根据热力学第二定律，熵在一个封闭系统中永不减少。因此，随着每个循环的进行，宇宙的熵应该不断增加。这就提出了一个问题：如果宇宙经历了无数个循环，那么现在的宇宙应该充满了高熵状态，难以解释我们所观察到的低熵初始状态。然而，循环宇宙模型的支持者提出了一些可能的解决方案。一个可能的解释是，每一次大坍缩，都会将宇宙中的熵重新分布，使其在新的大爆炸中重新开始。这类似于将一个高度混乱的系统重置，使其回到一个低熵状态，开始新的演化过程。尽管循环宇宙模型在理论上是引人入胜的，但是这个模型目前还存在两个最关键的问题，如果宇宙是循环的，那么循环一个周期是多久？每循环一次是固定的还是随机的，这些问题目前依然没有答案。

关于宇宙大爆炸因何而起，第二种猜想则是量子涨落，量子涨落模型提供了一种基于量子力学原理的解释。量子涨落是指在极小的时空尺度上，由于量子不确定性，能量密度会发生瞬时的、随机的波动。这些微小的波动在宇宙诞生初期起到了至关重要的作用，可能解释了宇宙大尺度结构的起源。量子力学揭示了一个奇特的事实：即使在真空中，能量也不会完全消失，而是会出现短暂的波动。这些波动称为量子涨落。根据海森堡不确定性原理，能量和时间的乘积不可能同时精确确定，因此在极短的时间尺度内，能量可以出现暂时的变化。在宇宙诞生的极早期，宇宙极其微小且处于极高能量状态。在这种状态下，量子涨落变得非常重要。这些微小的能量波动可能成为后来宇宙结构的种子。当宇宙迅速膨胀时，这些初始的量子涨落被放大，形成了今天我们在宇宙中观测到的物质分布不均匀性。

宇宙膨胀理论是将量子涨落与大尺度宇宙结构联系起来的关键理论。宇宙膨胀理论由艾伦·古斯在1980年代提出，描述了一段极短时间内宇宙经历的指数级膨胀。这一膨胀期发生在大爆炸后的极短时间内，将极小尺度的量子涨落扩展到宏观尺度。在膨胀过程中，暴涨场的势能主导了宇宙的能量密度，使得宇宙以极快的速度膨胀。膨胀结束后，暴涨场的能量转化为粒子和辐射，标志着大爆炸时期的开始。尽管量子涨落模型在解释宇宙大尺度结构方面取得了巨大成功，但它也面临一些理论挑战和未解的问题。量子涨落模型依赖于宇宙膨胀理论，而宇宙膨胀本身需要特定的初始条件才能启动。这些初始条件包括暴涨场的势能形状和强度等参数。然而，目前尚不清楚为什么这些条件会自然存在。尽管暴胀理论可以解释膨胀期内的物理过程，但对于暴涨期之前的状态以及暴涨场的起源，仍然存在许多悬而未决的问题。

循环模型和量子涨落提供了对宇宙起源不同的解释。无论是周期性的大爆炸与坍缩，还是量子波动的起源点，都展示了我们理解宇宙如何形成的多样性。但它们也有各自的局限性。随着我们对宇宙的理解不断深入，科学家们将继续探索这些模型，并寻找新的证据来支持或反驳它们。无论哪种模型最终被证实，都将为我们理解自身和宇宙之间的关系提供了新的视角。对此，你们怎么认为呢！欢迎大家踊跃讨论，感谢大家观看，我是探索宇宙，我们下期再见。