宇宙大爆炸之前到底发生了什么？

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撰文：鲜于中之  哈佛大学物理系

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宇宙大爆炸在科学界已经成为一个常识，但是，宇宙大爆炸之前的原初宇宙到底发生了什么，却一直没有定论。在两项研究中，物理学家发现，重粒子构成的原初标准时钟或许能帮助我们窥探原初宇宙的形态。

2015年，陈新刚与王一等研究人员在对原初宇宙模型的研究中发现，宇宙大尺度的不均匀性与标准时钟有很密切的关系。在此基础上，最近，哈佛大学的鲜于中之等人提出，可以通过一种更易观测的方式，将标准时钟与宇宙不均匀性联系起来。相关论文在PRL上发表以后，得到了美国物理学会网站的亮点报导。为此，《环球科学》特别邀请到了鲜于中之博士，请他对这一问题撰写了详尽的科普文章，以飨读者。

"大爆炸之前"的原初宇宙

物理学家告诉我们，宇宙在大约137亿年前发生过大爆炸。“宇宙大爆炸”的说法妇孺皆知，可是，大爆炸之前呢？

这问题初看起来荒诞不经，但物理学家近年来已开始寻找回答它的线索。他们发现，下一代宇宙学观测或许就能为我们提供答案。

从上世纪初至今，观测与理论的积累使物理学家逐渐意识到，宇宙并非静态不变的固定舞台，而是在不断膨胀。飘然浮游于宇宙中的星系，因之而彼此远离。

从现今的观测事实出发，藉由物理定律的向导，我们得以沿着时间的长河逆流而上，获知宇宙演化的历史。通过多种宇宙学观测和理论的相互映证，我们能够将宇宙的“信史”追溯到百亿年前。那时的宇宙致密而炽热，有如一团燃烧的天火。时间越早，这团火焰的温度越高。

直到距今大约137亿年前的某时刻，此番溯流而上的探险会遇到温度无穷高、密度无穷大的状态。现今的物理定律在此刻悉数失效，物理学家称之为“大爆炸奇点”。自然，如果将宇宙大爆炸理解为大爆炸奇点，那么谈论“大爆炸之前”是没有物理意义的。

不过物理学家当然知道，通过这样简单外推得到的结果并不完全正确。很可能，宇宙的演化在很早的某个时刻会偏离这种简化的外推。在此时刻之后，宇宙仍然按照标准的热膨胀图像演化。物理学家将称这一段或多或少得到观测验证的演化历史称为“热大爆炸”阶段，而在此刻之前，则需要新的理论来解释宇宙对热大爆炸的偏离。这段时间，物理学家称之为“原初宇宙”。因此，当我们提到“大爆炸之前”，就是指原初宇宙。

暴涨或许并非唯一可能

物理学家在过去几十年间提出了多种理论描绘原初宇宙的演化，其中一些还能解决大爆炸的若干理论疑难——比如可以解释为什么目前我们的宇宙极其平坦。

不过，对于今天的物理学家而言，原初宇宙理论最为迷人之处在于，它们对解释我们本身的存在至关重要。我们知道，物质在可见宇宙中的分布相当均匀、但又不完全均匀。在宇宙历史的早期，时空的不均匀性相当微弱。之后，在万有引力的作用下，不均匀性逐渐被放大，物质分布逐渐结团成块，渐渐出现了星系、恒星，最终才有了我们。

早期宇宙微小的不均匀性从何而来？这正是原初宇宙的理论需要回答的问题。在这些理论中，接受度最高的一种称为暴涨理论。该理论认为，宇宙在大爆炸之前，还曾经历过一段极为短暂而疯狂的快速膨胀，在这段也许只有千万亿亿亿亿分之一秒的时间内，宇宙以指数速度膨胀了大约百亿亿亿倍。由于驱动这段急速膨胀的能量极其巨大，时空自身也会感受到明显的量子涨落。这些量子涨落被飞速的膨胀迅速拉伸到很大的距离，最终成为宇宙在大尺度上不均匀性的种子。

通过测量宇宙微波背景或者星系的分布，我们如今已了解了很多关于原初宇宙不均匀性（也称作原初扰动）的信息，并通过它们验证或证伪不同的暴涨理论。因此，讨论大爆炸之前的宇宙并不是虚妄之说，而是实实在在的物理问题。

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不过，暴涨理论不是一种固定的理论，而是一群理论模型的总称：驱动宇宙指数膨胀的方式形形色色，各自都能预言一种特别的原初扰动不均匀性的样式。除此之外，物理学家也提出了各种非暴涨模型，解释宇宙在大爆炸之前的演化。在这些模型中，原初宇宙或收缩、或反弹，花样繁多，不一而足。这些模型有不少也能解释宇宙在大尺度上的不均匀与各向异性。尽管它们或许还有不少理论上的困难，但这些尝试提示我们，暴涨或许并非原初宇宙的唯一可能。

原则上，通过细致测量宇宙大尺度的不均匀性，可以判定具体的暴涨模型。然而实际上，暴涨模型的构造相当灵活。似乎，无论物理学家观测到任何样式的不均匀性，理论家总能构造出一种暴涨模型来解释这种样式。于是有人怀疑，作为科学理论，暴涨究竟可以被证伪吗？说得更明确一些，原初宇宙的演化究竟是暴涨、还是大反弹、还是其他模型呢？有没有一种办法可以洞察宇宙大爆炸之前的演化呢？

原初标准时钟：不同原初宇宙模型的判据

膨胀还是收缩，这是一个问题。不过作为物理问题，我们不可用冥想来决断，而需以天文观测作答。本文题目中的“原初标准时钟”，正是通过天文观测解决这一问题的利器。

“标准时钟”的工作原理，与一般的时钟无异。无论什么类型的钟表，都是以固定的节律运行的机器。所谓计时，就是记数节拍的数目。最初的钟表，节律的来源是单摆。伽利略年轻的时候，曾在教堂观察摆动的灯架，意识到单摆的固定节律，这是一个广为人知的故事。现在常见的石英钟，则利用了石英晶体将电流转化为周期振动的性质。无论如何，只要有固定的频率，就有可能用来计时。

量子世界的波粒二象性告诉我们，具有一定质量的粒子，对应于振动频率固定的物质波，从而可以被用作具有固定节律的时钟。在原初宇宙中，携带质量的粒子可以通过各种方式被制造出来，并以物质波的形式产生振动。这样的振动通过各种方式影响时空自身的涨落，从而在宇宙大尺度不均匀性上留下痕迹。原初宇宙中，携带质量的重粒子比比皆是。物理学家目前熟知的基本粒子，在原初宇宙中可能就很重，也许就可以用作原初标准时钟。[参见鲜于中之：《宇宙学对撞机：两个极端尺度的交融》]

物理学家近来发现，重粒子作为标准时钟，将在今天宇宙的大尺度不均匀性中留下痕迹。在发表于2016年的一篇文章中【1】，哈佛大学的陈新刚、Mohammad Hossein Namjoo，与香港科技大学的王一发现，原初宇宙中重粒子的量子涨落足以对时空自身的扰动产生影响。因此，现今宇宙大尺度不均匀性的三点关联函数（也称为非高斯性）有可能携带标准时钟的信息。

在陈新刚、哈佛大学的Abraham Loeb与我最近的一篇文章中【2】，我们发现，重粒子还将通过一种不同的方式影响大尺度不均匀性的两点关联函数（也称为功率谱）。对于试图寻找标准时钟信号的实验家而言，这是个好消息。因为在实际观测中，测量功率谱远比非高斯性容易。

无论是功率谱还是非高斯性，标准时钟影响宇宙大尺度不均匀性的具体机制，都是相当技术性的问题。好在其物理本质，可以通过下面的类比来理解。

原初宇宙中以固定频率振动的重粒子，仿佛以固定频率摆动的钟摆。我们在钟摆的下方放置一条纸带，使它沿垂直于钟摆摆动的方向运动，以此代表膨胀或收缩的宇宙。为了模拟重粒子与时空的相互作用，我们可以在摆锤中灌注墨水，从而能够在移动的纸带上划出痕迹。现在，如果你向一端（图X中的蓝色箭头）拉动纸带，摆动的钟摆就会划出一条振荡的轨迹。不难理解，如果纸带向一方运动得越来越快，那么钟摆在纸带上划出的轨迹将越来越稀疏；反之，如果纸带减速移动，那么钟摆划出的痕迹将越来越密集。因此，通过纸带上轨迹的形状，我们就能推测出纸带运动的速度。

这正是原初标准钟工作的原理：通过某种相互作用，重粒子将它频率固定的振荡印刻在时空自身的扰动中。如今，大爆炸前的重粒子已经衰变殆尽，但它在大爆炸之前振动的遗迹留在了时空背景的扰动中。通过寻找和辨认这些遗迹的形状，就能够推知原初宇宙究竟在膨胀还是收缩。前面已经提到过，这些扰动成为了我们现今宇宙大尺度上不均匀与各向异性的种子，最终决定了现今宇宙的物质分布。下一代星系巡天观测，如美国的LSST和SPHEREx卫星、以及欧洲的Euclid，将有机会大幅改善对大尺度不均匀性的测量，从而有机会捕捉到原初标准时钟的脉动在如今宇宙的物质分布中留下的蛛丝马迹。