多周期宇宙论梗概

宇宙进化的正统图景不仅是阴暗的，而且很可能是错的。正由于此，物理学家们正在积极寻找宇宙正统图景的替代物。正统图景的主要问题在于，大爆炸要求在宇宙起源时有一个奇点。所谓奇点就是物理学定律在其中失效的一个时空区域，爱因斯坦的引力理论不承认这些条件——当时间为零和宇宙的规模无限小时，引力定律便不再成立。但是，大爆炸却要求这种例外的条件，而且如果宇宙变成封闭的，那么最终的爆聚 （即“大破灭”）同样也会需要这种例外条件。

另一个问题是观察到的宇宙的大规模结构。在大爆炸的模式中，膨胀期被认为与宇宙空间中的物质分布有关，但是，不仅宇宙初期膨胀需要精细调谐这一点十分令人惊奇，而且这种过程本身也许不能说明新近发现的宇宙的大规模结构。最新的数据是通过“红外天文卫星”对宇宙进行精确的、全方位扫描探测得到的，这种探测表明，一连串星系在天空中延伸了大约 5 亿光年，即存在所谓的“万里长城”。①按照某些估计，这个数字是星系最大范围的 5 倍——如果这些星系是在 150 或 200 亿年前宇宙初期膨胀时由密度涨落所产生的话。

直到最近，由于发射或反射光的普通物质不足以说明形成观察到的星系所需要的引力，所以暗物质模式被用来说明已观察到的星系的形成。（假定宇宙中全部质量的 90%～99%是由暗物质构成的，而这种暗物质是由辐射少量能量但具有与其质量相联系的引力效应的慢移动粒子所构成。这种慢移动粒子会“团聚”成星系，而不能被光学望远镜观察到。）这个发现的一个后果是对暗物质模式产生怀疑，并试图寻找替代物。另一个也许更为重要的后果是对大爆炸理论本身产生疑问。

如果诸如“万里长城”之类的巨大结构不是在大爆炸后的膨胀中形成的，那么它们又是在何时以何种方式形成的呢？一个可能的答案是，它们也许是在更早的时候由另一些“大爆炸”形成的（顺便指出，“大爆炸”并非是产生宇宙的唯一事件，它应当被降级称之为“爆炸”）。实际上，根据最近的发现，认为有不止一次“爆炸”的宇宙论已被提出，这对正统的宇宙图景提出了严峻的挑战。

新的宇宙论认为，宇宙从来不是从一个奇点状态开始的，也永远不会达到这种状态，“量子宇宙”的初始状态具有一个微小但非零的半径。利用附加的和在某种程度上是推测的假设就有可能证明，甚至一个封闭的宇宙也不一定是一次大爆炸的产物——大爆炸无须在“大破灭”中有一个最终结果，它只是达到另一次“爆炸”能从中释放出来的某个密实状态。这

①    W·桑德斯等《大爆炸理论有一个黑洞》，载《自然》杂志，1991 年 1 月。样的一个宇宙会从一种爆炸的非稳定状态开始，经过一个完整的膨胀循环后，又回到一种爆聚的非稳定状态，接着再到下一种非稳定状态。在每一个循环中，物质会从真空中合成，而实粒子则会通过进化和退化阶段逐步发展而达到最大量子密实状态。宇宙可以是封闭的，但它的封闭只能适用于单个的循环或脉动，被看作不断进行的多重循环的实在的宇宙既无起点又无终点。

另一种新的理论认为，正是开放的宇宙才具有一系列连续的脉动。普里高津、杰黑尼奥(Geheniau)、冈茨(Gunzig)、那多恩(Nardone)等人把“量子真空”和“物质”之间的相互作用看作宇宙的基本因素，并用数学证明，通过这种相互作用可以出现一系列可能是无限的宇宙循环。开放宇宙多周期宇宙论给亚量子场 （从理论上讲，它主要被看作是“量子真空”）指定了一个积极的角色，这就是把亚量子场作为一种虚粒子从中不断涌现的介质。当这些虚粒子获得与其质量相对应的一定量的能量时，它们便转变为稳定的“实”粒子并“使真空极化”，即产生可观察到的宇宙。

普里高津、杰黑尼奥、冈茨和那多恩等人的宇宙论认为，万有引力给虚粒子转变为实粒子提供了所需要的能量。引力作用在这儿起着一种毋庸置疑的作用，它不但引导和驱动物质进化，而且实际上导致进化物质的产生。

这种理论假定，有一种引力方式与携带负能量的宇宙大规模时空弯曲相联系。 （负能量被定义为使一个物体脱离引力方向所需要的能量。）时空的大规模几何结构产生一个负能量的贮存器，宇宙的正引力物质从中提取正能量。在不稳定的亚量子场中，这种提取的能量被转化为虚粒子，并使虚粒子转化为实粒子。

这种假说认为，在整个时空范围内，在宇宙的大规模结构和亚量子场之间存在着一种经常和平衡的相互作用。在每一个循环周期中，新的物质从场中产生，因为在先前的周期中合成的物质产生了能量，进入物质合成过程中的正能量经常精确地补偿由存在的物质引起的时空弯曲所产生的负能量。因此，场的总能量总保持在其最低的初始值。

我们获得了一个产生粒子的永久性工厂，产生的粒子越多，产生并被转化为正能量以合成更多粒子的负能量也越多。亚量子场和实在化了的物质—能量形成了一个封闭的自我产生反馈的循环，这种反馈循环的功能是如何解释宇宙产生“爆炸”的现象的呢？

在存在引力相互作用时，场似乎是不稳定的——临界数量的实粒子使其不稳定。这种不稳定性引起真空过渡到标志着宇宙循环的膨胀状态。宇宙不是在虚无中产生的，也不是从某个神秘莫测的预先存在的真空中产生的，它是在无定限持续开放的宇宙中先前多次循环的母基内的又一次循

①    E·冈茨，J·杰黑尼奥和 I·普里高津《熵和宇宙学》，载《自然》杂志 330 卷，1987 年 9 月。环。

其结果是，在霍金所描述的那个著名过程中，从不稳定的“真空”过渡到膨胀和从膨胀过渡到有序的扩张，都由微黑洞 （50 倍于普朗克质量）的产生和逸散所支配。微黑洞的逸散时间被证明正好是 10-37s——即膨胀理论所要求的所谓普朗克时间。

因此，宇宙循环的起源包括由两次相变所分开的三个阶段。第一个阶段是，由来自时空弯曲的负能量反馈所产生的“闵可夫斯基真空” （亚量子场的一个非稳定状态），不稳定性产生向所谓“德西特宇宙”的膨胀的相变。在膨胀状态期间，产生于第一次相变的微黑洞逸散，产生超冷效应，这种效应作为第二次相变，驱使德西特宇宙变为空间均匀的、各向同性的和仅仅是几何膨胀的“罗伯逊—沃克宇宙”。我们现在生活在其中的这个宇宙是第三个阶段。

由此看到，这种宇宙论用脉动开放宇宙的多次“爆炸”取代了宇宙正统图景的“大爆炸”观念。它表明，并非只有一个宇宙，而是可能有无数的宇宙已经存在，每一个宇宙都在原有的宇宙背景中产生，又引起后来的宇宙的产生。这种宇宙论是自相一致的，它所描述的相变只直接取决于三个常数的值：光速 C、普朗克量子常数 h 和万有引力常数 G。同时，如果 150 亿或 200 亿年不足以产生对宇宙进行的航天卫星探测中新近发现的大规模结构，那么，现在对此也会在某种程度上有一种经验证实。因为在“我们的爆炸”所产生的星系之外，会有一些产生于导致先前的循环的那个“爆炸”的更古老的星系。

按照习惯，我们可以用一个熟悉的比喻来更好地理解这种概念。这一次，用一个表面平静的水塘，观察一个气泡浮上水面的过程作为比喻。这个气泡产生一个局部的扰动，一组同心波向外传播，当波阵面外移时，水面便恢复平静。但是逐渐远去的波对整个水泡产生一种压力，结果就会有另一个气泡产生另一个扰动和另一组同心波。同样，随着这些波的外移，它们也产生自身的反馈压力，从而导致第三个气泡产生——这种过程周期性地循环往复，以至于无穷——犹如一个微漪之塘。