宇宙微波背景顯示,，早期宇宙的密度分布存在波動(dòng),。

宇宙真的誕生自宇宙大爆炸嗎,？新研究稱宇宙誕生更像冰塊融化

新浪科技訊北京時(shí)間8月24日消息,，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,，宇宙有兩大未解之謎,，數(shù)十年來一直令宇宙學(xué)家困惑不已,，一個(gè)與宇宙的終極命運(yùn)有關(guān)，另一個(gè)則與宇宙的開端有關(guān),。天文學(xué)家一直將這兩大謎團(tuán)視作相互獨(dú)立的問題,，但事實(shí)果真如此嗎？

第一個(gè)問題與所謂的“暗能量”有關(guān),。暗能量正在加速宇宙膨脹,，并將決定宇宙的終極命運(yùn)。理論學(xué)家指出,，暗能量的效果可以通過向愛因斯坦的引力公式中加入一個(gè)宇宙常量來解釋,。但這種解釋要想說得通，這個(gè)宇宙常量必須是一個(gè)非常小的特定數(shù)值才行,，相當(dāng)于10的123次方分之一,。如何解釋這個(gè)數(shù)值，是當(dāng)今理論物理學(xué)家面臨的最大挑戰(zhàn)之一,。

第二個(gè)問題與塑造宇宙的另一個(gè)關(guān)鍵數(shù)字有關(guān),，還牽涉到星系和星系群等結(jié)構(gòu)的形成。我們知道,，早期宇宙中密度的分布雖然較為平均,，但也存在一些細(xì)微的波動(dòng)，構(gòu)成了如今我們見到的種種宇宙結(jié)構(gòu)的雛形,。這些波動(dòng)必須有特定的強(qiáng)度和形狀,，才能與如今的觀測(cè)結(jié)果相符。要弄清早期宇宙中的這些細(xì)微波動(dòng)是如何形成的,、并解釋它們的強(qiáng)度和形狀,，無疑是宇宙學(xué)界的另一大未解之謎。

在傳統(tǒng)宇宙學(xué)中,，宇宙常數(shù)的數(shù)值,、以及初始波動(dòng)的強(qiáng)度被視作兩個(gè)無關(guān)的數(shù)字。畢竟一個(gè)涉及到宇宙的開端,，另一個(gè)則關(guān)系到宇宙的尾聲,，兩者相差140億年。不僅如此,，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)并未從基本法則的角度解釋這兩個(gè)數(shù)字,。傳統(tǒng)宇宙模型完全沒有提到宇宙常數(shù)的數(shù)值，即使做了預(yù)測(cè),，結(jié)果也完全不合理,。至于初始波動(dòng)的強(qiáng)度，最流行的做法是通過一類描述宇宙早期快速膨脹的模型進(jìn)行解釋,。但這些模型的問題在于,，人們可以按自己的意思來設(shè)計(jì)模型,、從而取得任何想要的結(jié)果，因此完全無法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),。

理論物理學(xué)家,、宇宙學(xué)家薩努·帕德馬納班（Thanu Padmanabhan）近日與女兒漢莎·帕德馬納班（Hamsa Padmanabhan）、以及蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的托馬拉·費(fèi)羅（Tomalla Fellow）一起,，將這兩個(gè)數(shù)字與“宇宙發(fā)生說”（cosmogenesis）聯(lián)系到了一起,，并對(duì)它們的具體數(shù)值做了解釋,。他們?cè)谡撐闹薪忉尩?，宇宙常?shù)的存在、以及它極其微小的數(shù)值,，可以被視作宇宙時(shí)空所含信息內(nèi)容的直接結(jié)果,。另外，他們的分析還得出了早期宇宙中微弱波動(dòng)強(qiáng)度和形狀的正確數(shù)值,。

宇宙大爆炸大概算是標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)最著名的元素之一,，但并不討科學(xué)家的歡心。因?yàn)閻垡蛩固构街忻枋龅挠钪鏄?biāo)準(zhǔn)模型在大爆炸所提供的條件下無法成立,。宇宙大爆炸認(rèn)為,，宇宙的密度和溫度曾達(dá)到過無限高，即物理學(xué)家所說的“奇點(diǎn)”狀態(tài),。

但如果根本沒有奇點(diǎn)呢,？從上世紀(jì)60年代起，物理學(xué)家就一直試圖在描述宇宙時(shí)繞開宇宙大爆炸,，想要將引力理論和量子理論統(tǒng)一起來,、建立所謂的量子引力理論。物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）和布萊斯·德維特（Bryce deWitt）率先對(duì)這種想法加以應(yīng)用,，提出了宇宙“預(yù)幾何相”假說（pre-geometric phase）,，認(rèn)為從某種暫時(shí)還未知的結(jié)構(gòu)中、尚未演變出時(shí)間和空間的概念,。在此之后,，物理學(xué)家對(duì)量子宇宙學(xué)展開了進(jìn)一步研究，試圖用量子的語(yǔ)言描述一個(gè)簡(jiǎn)單的宇宙模型,。近幾十年來,，科學(xué)家們提出了幾種有所不同、但又相互聯(lián)系的宇宙“預(yù)幾何相”概念,。這些模型的共同點(diǎn)是,，都認(rèn)為經(jīng)典宇宙不曾經(jīng)歷“奇點(diǎn)”，而是從預(yù)幾何相直接過渡到了愛因斯坦公式所描述的時(shí)空狀態(tài),。構(gòu)建這樣一種模型的困難之處在于,，我們目前的量子引力理論還不夠完整,，因此無法詳細(xì)描述宇宙的預(yù)幾何相模型。

為解決這個(gè)技術(shù)難關(guān),，帕德馬納班等人引入了“宇宙信息”（cosmic information）的概念,。近年來，越來越多的科學(xué)家認(rèn)為,，信息應(yīng)當(dāng)在物理學(xué)的描述中扮演了重要角色,。這一概念是在科學(xué)家試圖將量子理論與引力理論相結(jié)合的過程中逐漸興起的。在一部分這樣的模型中,，還出現(xiàn)了“全息”的概念,，即某塊區(qū)域內(nèi)部的信息內(nèi)容可能與邊緣處的信息內(nèi)容有關(guān)。但不幸的是,，對(duì)這些信息的數(shù)學(xué)描述在不同情境下也有所不同,，且科學(xué)家尚未找到適用于所有情況的統(tǒng)一理論。因此,，為把信息的概念應(yīng)用到整個(gè)宇宙,，我們首先要為它找到一個(gè)在物理上合情合理的解釋。

愛因斯坦稱自己向公式中加入宇宙常量可謂大錯(cuò)特錯(cuò),。但如今物理學(xué)家認(rèn)為,，這一修改是有積極價(jià)值的。

我們對(duì)宇宙信息的定義可以通過打比方來說明,。當(dāng)一塊冰融化成水時(shí),，會(huì)經(jīng)歷從固態(tài)到液態(tài)的過渡。這個(gè)過渡的實(shí)際過程可能非常復(fù)雜,，但這塊冰里的原子總數(shù)和水中的原子總數(shù)完全相同,。這個(gè)數(shù)字就代表著該系統(tǒng)的自由度，在過渡過程中始終保持不變,。宇宙誕生所經(jīng)歷的過渡也可能類似于這個(gè)過程,，也可以由一個(gè)特殊數(shù)字來描述。這個(gè)特殊數(shù)字能夠?qū)㈩A(yù)幾何相宇宙的自由度與經(jīng)典時(shí)空的自由度聯(lián)系起來,?？茖W(xué)家把這個(gè)數(shù)字命名為“CosmIn”。利用CosmIn,，我們就可以把宇宙的兩種相聯(lián)系起來了,，同時(shí)還能避開完整的量子引力模型帶來的種種復(fù)雜問題。

作為一個(gè)物理上可觀察的數(shù)字，CosmIn必須是有限數(shù),。事實(shí)上,，如果不考慮奇點(diǎn)，所有物理量都應(yīng)該是有限的,。此外,，帕德馬納班等人還證明，只有當(dāng)宇宙在較晚期才開始加速擴(kuò)張時(shí),，CosmIn才會(huì)是有限數(shù),。而這恰恰是我們?nèi)缃裼^測(cè)到的情況。這種聯(lián)系不僅說明宇宙常數(shù)的存在有著重要原因,，還提供了一種計(jì)算其數(shù)值的方法——前提是我們知道CosmIn的值是多少,。

CosmIn在宇宙預(yù)幾何相或量子引力相的值可以由幾種量子引力模型反復(fù)得出的結(jié)果確定。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，從量子引力相轉(zhuǎn)移到經(jīng)典相的總信息量必須與一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字相等：4π,，僅相當(dāng)于一個(gè)半徑為一單位的球體表面積,。這等同于一個(gè)半徑為一單位的球體的每單位表面積上都分布有一單位信息,。利用這一事實(shí)，我們就可以把宇宙常數(shù)的數(shù)值與宇宙從量子引力相過渡到經(jīng)典相的能量標(biāo)度聯(lián)系起來,。

而這一過渡能量標(biāo)度又能與宇宙的第二大謎團(tuán)聯(lián)系起來,，即后來演變?yōu)楝F(xiàn)代星系和星系團(tuán)的早期宇宙微弱波動(dòng)的強(qiáng)度。為計(jì)算這些波動(dòng)的規(guī)模,，最普遍的做法是利用宇宙的暴漲模型,。該模型認(rèn)為，早期宇宙曾經(jīng)歷過一段規(guī)模巨大,、速度極快的膨脹期,。但此類暴漲模型有許多，且形狀和規(guī)模都不盡相同,，可以通過刻意設(shè)計(jì),、計(jì)算出任何想要的值。值得注意的是,，這種原始波動(dòng)的形狀最初由愛德華·羅伯特·哈里森（Edward Robert Harrison）和雅科夫·澤爾多維奇（Yakov B,。 Zeldovich）于1970年分別獨(dú)立計(jì)算得出，故得名“哈里森-澤爾多維奇譜”（Harrison-Zeldovich spectrum）,。但很多人并未意識(shí)到,，哈里森早在后人提出暴漲模型的十幾年前就得出了這一結(jié)果！

帕德馬納班等人的模型可以將宇宙常數(shù)的數(shù)值和原始波動(dòng)的規(guī)模這兩個(gè)重要數(shù)字與預(yù)幾何相宇宙過渡為如今的經(jīng)典宇宙的能量標(biāo)度聯(lián)系起來,。選對(duì)了合適的能量標(biāo)度后,，帕德馬納班等人就可以算出與這兩個(gè)物理量觀測(cè)值相符的值。這樣一來,，宇宙常數(shù),、原始波動(dòng)的強(qiáng)度,、以及CosmIn的值之間就建立起了代數(shù)聯(lián)系。這個(gè)關(guān)系也可以倒過來看,，可以利用兩個(gè)宇宙參數(shù)的觀測(cè)值驗(yàn)證CosmIn是否真的為4π,。事實(shí)證明，這套理論非常經(jīng)得起考驗(yàn),。從觀測(cè)結(jié)果推出的CosmIn的確等于4π,，誤差僅為1千分之一。

兩個(gè)看似無關(guān)的宇宙參數(shù)結(jié)合起來,，竟能得到如此簡(jiǎn)單的一個(gè)數(shù)值,，實(shí)在令人訝異不已。傳統(tǒng)宇宙學(xué)肯定會(huì)認(rèn)為這不過是數(shù)字上的巧合而已,。但帕德馬納班等人認(rèn)為,，這揭示了宇宙的一個(gè)深藏不露、又格外美麗的真相,。

這應(yīng)該是科學(xué)家首次嘗試將宇宙常數(shù)與早期宇宙波動(dòng)的強(qiáng)度聯(lián)系在一起,，也是首次通過參數(shù)不可調(diào)整的模型推斷出這兩個(gè)數(shù)字，并將二者與經(jīng)典宇宙誕生時(shí)的能量標(biāo)度聯(lián)系起來,。

此外,，這些理論都與量子引力的大框架相契合。盡管科學(xué)家對(duì)量子引力的研究已將近50年之久,，但仍未建立起完整理論,。而帕德馬納班模型的優(yōu)勢(shì)在于，不需要詳細(xì)的量子引力理論也可以說得通,。但該模型也提供了兩條有關(guān)量子引力和時(shí)空結(jié)構(gòu)的重要線索：首先,，時(shí)空應(yīng)被視作由顯微級(jí)別的自由度構(gòu)成，就像物質(zhì)由原子構(gòu)成一樣,；其次,，正確的宇宙起源理論應(yīng)當(dāng)包括宇宙從預(yù)幾何相向經(jīng)典相的過渡,。

這些線索還可以解答一個(gè)關(guān)鍵問題：為何理論學(xué)家歷經(jīng)數(shù)十年的研究,、仍無法將引力理論與量子理論合并起來。要解釋這一點(diǎn),，可以再打一個(gè)比方：我們知道流體力學(xué)是一套自洽的物理理論,，可以用一系列公式來表達(dá)。如果以這些公式為基礎(chǔ),，把量子理論法則套用到上面,，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些有趣的新現(xiàn)象，如聲子（用來描述晶格振動(dòng)的一種能量量子）和它們之間的相互作用等等。但利用這種方法,，我們將永遠(yuǎn)也弄不清楚物質(zhì)的量子結(jié)構(gòu),。

有證據(jù)顯示，從這個(gè)角度來看,，描述引力的公式與描述流體力學(xué)的公式頗為相似,。換句話說，用量子理論重新闡釋引力公式就類似于用量子理論闡釋流體力學(xué)公式,。但我們尚未從這一角度弄清時(shí)空的量子本質(zhì),，而帕德馬納班等人相信，這也許就是科學(xué)家們?cè)噲D統(tǒng)一引力理論與量子理論,、然而數(shù)十年來屢屢失敗的原因,。

相反，我們需要重新審視引力的本質(zhì),，透過它來分析時(shí)空的微觀結(jié)構(gòu),。物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）正是借助這一方法,，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)需由離散自由度（即原子）構(gòu)成,，才能滿足各種熱現(xiàn)象的要求。玻爾茲曼的意思是,，只要某物能發(fā)熱,，就必須由微觀自由度構(gòu)成。

而時(shí)空也可以擁有溫度,，因此對(duì)特定觀察者而言，也可以是“熱的”,。這一理論最初由雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和霍金針對(duì)黑洞這一特殊情境提出,。不久之后,，到了上世紀(jì)70年代中期,，比爾·昂魯（Bill Unruh）和保羅·戴維斯（Paul Davies）的研究顯示，這其實(shí)是時(shí)空的普遍特征,。如果把玻爾茲曼的理論與這一事實(shí)相結(jié)合,，就能得出結(jié)論：時(shí)空一定具有內(nèi)部自由度,，就像物質(zhì)內(nèi)部由原子構(gòu)成一樣。近年來,，有越來越多的理論證據(jù)為這一結(jié)論提供支持。這一現(xiàn)象將成為我們弄清時(shí)空微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，很快便幫助科學(xué)家得出了三個(gè)重要結(jié)論,。

首先，一片時(shí)空區(qū)域的演變過程可以用區(qū)域內(nèi)部和邊緣處的自由度（或信息內(nèi)容）來描述,；其次,，當(dāng)能量等級(jí)為零時(shí)，引力不會(huì)發(fā)生任何變化,。在愛因斯坦的理論體系中,，引力會(huì)對(duì)絕對(duì)能量做出反應(yīng)，導(dǎo)致宇宙常數(shù)完全不可能被計(jì)算出來,。但如果以信息內(nèi)容為基礎(chǔ),，就不會(huì)遇到這個(gè)問題了；第三,，這種從信息出發(fā)的思考方式說明,，我們不應(yīng)該用愛因斯坦等式的某個(gè)特定解法來描述宇宙的演變。相反,，有另外一套公式可以更精準(zhǔn)地描述時(shí)空的量子自由度,，愛因斯坦的這些公式還不夠精確，只是處在一個(gè)合適的限度內(nèi),。

這套理論已經(jīng)通過CosmIn模型得到了驗(yàn)證,，并讓我們對(duì)宇宙有了另一種全新的、生動(dòng)的認(rèn)識(shí),。宇宙就像一大塊冰,，其中有一小點(diǎn)熱源。熱源周圍的冰會(huì)逐漸融化,，在冰塊中生成一塊由水構(gòu)成的區(qū)域,。而這塊區(qū)域還會(huì)不斷擴(kuò)大，直到達(dá)到局部熱力學(xué)均衡狀態(tài),。放在大尺度上來看，由于這塊冰是從內(nèi)到外加熱的,，靠近其邊緣處的分子尚未達(dá)到均衡狀態(tài),。真正的宇宙與這個(gè)比喻極為相似。充滿水的區(qū)域可類比為愛因斯坦理論中描述的可觀測(cè)宇宙,，周圍環(huán)繞著由目前尚不了解的量子引力理論描述的預(yù)幾何相宇宙（可類比為冰）,。宇宙大爆炸的概念完全被抹去了，取而代之的是在邊界處從一種相向另一種相的過渡,。這樣一來,，宇宙早期的“暴漲期”也沒有了存在的必要,。

這個(gè)框架簡(jiǎn)單而雅致，因?yàn)樗梢杂靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)來描述：即早期宇宙從預(yù)幾何相向愛因斯坦幾何相過渡的能量標(biāo)度,。這不同于標(biāo)準(zhǔn)暴漲模型,，不包含任何未經(jīng)檢驗(yàn)的物理原理。帕德馬納班等人唯一所做的推斷是,，宇宙的信息內(nèi)容應(yīng)當(dāng)?shù)扔?π,，即一個(gè)單位球體的表面積。

這項(xiàng)研究為未來的研究工作提供了三個(gè)方向：首先,，它鼓勵(lì)我們用不同的量子引力模型進(jìn)一步探索預(yù)幾何相宇宙的物理規(guī)律,；其次，我們可以對(duì)這項(xiàng)研究中“宇宙信息”的概念展開探索,，并試圖將其與其它情境中類似的信息理論聯(lián)系起來,；最后，它進(jìn)一步鞏固了“時(shí)空由基礎(chǔ)自由度構(gòu)成”這一理論,，并激勵(lì)我們對(duì)不同的時(shí)空相加以研究,。