【提要】大爆炸理论认为，时间有一个开始，宇宙只有137亿年的历史。但一种崭新理论认为，我们的宇宙并非诞生于一个没有时间的奇点，而是在更大的、无法探知的十维大宇宙中，不同“膜”碰撞的产物

　　国际先驱导报文章 宇宙是怎么来的？根据现在广为接受的大爆炸宇宙理论，整个宇宙乃是137亿年前由一个奇点大爆炸膨胀演化而来；现在宇宙仍在加速膨胀。大爆炸理论推

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断时间有开始，最终宇宙也会走向终结。

　　最近，美国普林斯顿大学宇宙学家保罗·斯坦哈特和英国剑桥大学宇宙学家尼尔·图罗克提出一种新宇宙模型，认为宇宙从来就没压缩成一个奇点，也不是在一次猛烈的爆炸中诞生的；相反，我们现在所知的宇宙其实是一个有着更高维度的、极其宏大的宇宙的一小部分，其高维度是我们不能感知的。

　　“大爆炸”其实是我们的三维世界与另一个三维世界相碰撞的结果，两个世界的距离不超过1个质子大小，但就因为这点距离而彼此看不见。而且，“大爆炸”只不过是在过去和未来无限轮回的宇宙碰撞循环中的一次，我们宇宙137亿年的历史只不过是无限时间中的一瞬间。

　　三个脑袋里的两块膜

　　斯坦哈特和图罗克的这一宇宙生成理论，来源于试图对宏观世界和微观世界做最终统一解释的超弦理论。超弦理论认为，空间并不是我们肉眼所见的三维，实际上有多达10个维度，正如一张晾在绳索上的二维床单是悬挂在一个三维世界里一样，所有时空连续都悬浮在具有更高维度的空间中。遵循这个床单比喻，可以形象地把我们可观察的宇宙描述为一张漂游在十维大宇宙中的“膜”。

　　1998年，美国宾夕法尼亚大学物理学家伯特·奥卢特在英国剑桥大学举行的一次宇宙学会议上提出：如果我们生活的世界是一张漂浮在多维空间中的“膜”，为什么不可以设想还有其他类似的膜漂浮在这多维空间中呢？超弦理论完全不排除这种可能性，而且如果其他的膜存在，它们就可能相互影响。

　　当时坐在听众席中的斯坦哈特大受启发。他猜想，如果膜与膜之间的相互作用是一种碰撞，那么这种碰撞将产生极其巨大的强烈反应，因为每一张膜都拥有巨大量的能量和物质。这种碰撞所释放的能量之大足可以和通常所说的“大爆炸”相匹敌。

　　同在听众席上的图罗克也这么认为，两人在奥卢特演讲完后一起找他进行更深入的讨论。三人都认为两块膜碰撞，会在宇宙中导致戏剧性的巨大事件。一种新宇宙理论自此开始形成。

　　18个月计算出“涟漪”

　　根据暴涨理论，宇宙最早是极热极密的一个点，随后经历了一个非常短暂而巨大的暴涨过程。斯坦哈特他们的新理论则设想：宇宙也许实际上是从又冷又空的地方开始的。如果情况真是这样的话，那么从膜相撞这个概念出发，就可为随后一直进行的扩张过程提供简洁的说明，而不必求助于“暴涨”。

　　为简单起见，他们假定膜是平的，并且相互平行。他们也假定膜中没有包含物质，但是根据量子理论和爱因斯坦狭义相对论，这样的膜并不虚无，而是包含了巨大的能量。因此，两块空空的膜相遇，仍然会是极其剧烈的碰撞。

　　经过一年半的艰苦数学计算，这些研究者终于认识到，两块膜相撞能够形成一个火球，进而创造出一个与我们可观察的宇宙一样的宇宙。他们经计算认为，在碰撞发生前，随着两块平坦的膜相互靠得越来越近，它们之间的力会使它们起皱，犹如平静的湖面上泛起一圈圈涟漪。结果，这两块膜并不是全部立即碰撞，而是隆起的部分先碰撞。

　　这种不均匀的碰撞，进而导致不均匀的能量爆炸——碰撞产生的火球尽管各处密度一样，但在隆起的部分会比较热一点，而在低陷的地方则会凉一点。

　　古希腊“大火”的启示

　　他们认为，我们的宇宙在第一代恒星和星系形成之前就是这个样子。我们知道，由宇宙早期遗留下来的热量构成的宇宙微波背景辐射就是不完全均匀的，在宇宙不同部分有一些细微温度差异。

　　2001年7月发射升空的威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器(WMAP)精确地绘制了这种温度差异的分布图。在大爆炸宇宙模型中，那些较热的地方被认为是由量子噪声造成并由暴涨能量场放大的。在斯坦哈特他们的模型中，这被认为是由于膜起皱演变来的。图罗克说：“让我们甚为惊奇的是，经过巨量复杂的计算，我们发现膜的碰撞能形成与观察到的温度不均完全一样的图案。”

　　研究者随后研究了膜碰撞后，在各块膜中会发生什么。计算表明，这种碰撞在各块膜中会产生宇宙规模的巨大的纯能量火球，这种爆炸让这两块膜再次分开。而后，随着充满于我们的膜中的那个火球开始冷却，其中的能量经历一个相变过程，就像水结成冰，这种相变释放出的一种力能使宇宙开始膨胀。火球中温度较高的部分凝结成物质块，最终演变成星系团，而较凉的部分则变成星系团中的虚空部分。

　　他们把这种宇宙理论叫作“ekpyrotic universe”(火的宇宙)，ekpyrosis在希腊语中的意思是“大火”，古希腊斯多葛学派的宇宙模型就认为宇宙是一团大火，处在诞生、冷却和再生的永恒循环中。

　　无限的碰撞循环

　　“火宇宙”模型后半部分和大爆炸模型所说的一个大火球膨胀演化出今日宇宙很相似，但是在“火宇宙”模型中没有了暴涨过程，而是从一开始就有着惟一促使宇宙扩张的力，这种力至今仍然在起作用，使宇宙一直保持加速膨胀，越来越快。这就可以解释现在所谓的暗能量。

　　两位研究者在进一步计算后认为，我们现在所处的阶段实际上是一个非常漫长过程的开始，而这个过程最终将导致一个空荡荡的宇宙。经过几万亿年后，宇宙中的物质平均密度将非常接近于零，一切有意义的差别都将被抹平。

　　这个结果和大爆炸理论所预言的宇宙末日图景也是一样的，但是“火宇宙”理论并不终结于此，斯坦哈特和图罗克认为，在遥远的未来，另外一个三维世界即另外一块膜在与我们的膜相撞后，还会与我们的膜在类似引力的力作用下再次靠近、碰撞，从而导致另一次“大爆炸”。而且，这样的碰撞循环是无限的。

　　对于这一宇宙模型，物理学家们还在观望，多数人并没有立即表示欢迎，但一些人认为很值得关注。普林斯顿大学天体物理学家、WMAP研究团队的成员戴维·斯皮尔盖说：“宇宙学早晚要和超弦理论联系起来。有好几种思想试图和暴涨理论竞争，它们也许最终都会被证明是错误的，但我要说这种‘火宇宙’理论最有可能是正确的。”

　　如果真的是这样的话，我们就得好好再思考自己在宇宙中的位置了，实际上，我们要思考的是宇宙本身。(凌高)

　　　【链接】奥卡姆剃刀

　　【正文】

　　大爆炸理论并非无懈可击，问题不只是该理论要求时间和空间有一个开始，问题还在于宇宙学家越试图完善这一理论，事情就越混乱。

　　最早的大爆炸模型比较简单：一个炽热的、密度极大的能量点向外爆炸，逐渐冷却为物质，演化成星星，并一直保持扩张。上世纪80年代，一种更精致的大爆炸理论——暴涨理论诞生，并很快成为宇宙学的主导理论。暴涨理论认为在宇宙诞生的万万万万分之一秒的极早期经历了一个暴涨(指数性扩张)过程，然后才以稳定的、相对缓慢的速度膨胀。这似乎是把新生的宇宙弥散开来的惟一方式，似乎有某种巨大的能量场在此起了大作用。但我们在现今宇宙中看不到任何类似这种能量场的东西，一些宇宙学家因此假定这种能量场也许只在大爆炸后的瞬间存在，然后就消失了。

　　召唤一种新的、未知的能量场来解决问题，既有悖常识又不合科学的简洁性原则。这种简洁性原则，常常表述为“奥卡姆剃刀”，指对自然现象的最简单解释通常都是正确的解释。一个例子是托勒密地心说，认为地球是宇宙的中心，所有天体都围绕地球旋转。但观察发现行星的运动并不是沿围绕地球的单一轨道运行，信奉托勒密地心说的学者为解决这个问题提出“本轮说”，认为行星在其大圆轨道上还作小圆运动；但进一步分析表明，这还是不能很好地解释所观察到的现象，于是那些学者又在本轮上增加本轮……后来哥白尼提出日心说，开普勒指出行星轨道是椭圆的，很简洁地就解释了行星运动，完全不必依赖复杂的“本轮”，旧学说因此被摈弃。

　　但“暴涨”似乎是必要的一种复杂性，没有这个过程，宇宙会是与现在很不同的样子。但一些宇宙学家认为，把“暴涨”考虑进来，就像是给托勒密地心说加上本轮一样。现在，据信在推动宇宙加速膨胀的暗能量说，又使大爆炸理论更加复杂，因而斯坦哈特他们的新宇宙理论试图克服这种复杂性。

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