Only Perception: 大霹靂之前：攣生宇宙？

2008-04-21

大霹靂之前：攣生宇宙？

Before the Big Bang: A Twin Universe?
http://www.physorg.com/news126955971.html

By Lisa Zyga, April 09, 2008

直到最近，問及在大霹靂時或之前發生了什麼事，都被物理學家認為是種宗教上的問題。廣義相對論正好沒走到那裡 -- T=0 時，它會吐出 0、無限大以及許多錯誤 -- 所以這個問題從科學的觀點來看沒有意義。

不過，在最近幾年，一種新理論稱為環圈量子重力論（Loop Quantum Gravity，LQG）已經浮現。這個理論提出一種「量子反彈（quantum bounce）」的可能性，在此，我們的宇宙根源於前一個宇宙的崩壞。然而，先前的宇宙看起來像什麼，仍遠超過答案之外。

現在，來自於 Universidad Nacional Autonoma de Mexico 的物理學家 Alejandro Corichi 以及來自於 Perimeter 理論物理研究所的 Parampreet Singh 發展出一種簡化的環圈量子重力論模型，那給了一個令人感興趣的答案：一個「前大霹靂」宇宙可能與我們的十分類似。他們的研究將出現在接下來一期的 Physical Review Letters 上。

"這個概念的重要性在於，它回答了在大霹靂之前宇宙發生了什麼事，" Singh 說。"那仍是個迷，不過對模型來說那能解決大霹靂奇點（singularity），無論它是種量子泡沫或是在另一邊的（譯註：大霹靂前的宇宙）古典時--空。例如，若它是種量子泡沫，我們就不能談論時--空、時間的概念等。我們的研究證明，在另一邊的宇宙同我們一樣十分古典。"

這發現建構在先前的研究上，但有些重要的差異。去年，賓州大物理學家 Martin Bojowald 使用一種簡化版的 LQG 來證明「另一邊」宇宙的反彈可能已存在。然而，儘管這模型產生有效的數學，但我們目前的宇宙沒有觀察能導致對反彈前宇宙的狀態產生任何的理解，因為沒有任何東西能穿越這種反彈。Bojowald 將這個描述成一種「宇宙失憶症」。"

不過 Corichi 與 Singh 藉由逼近（approximating）一個關鍵等式，稱為量子約束（quantum constraint）已更進一步修改了簡化過的 LQG 理論。利用他們的版本，稱為 sLQG，研究者證明反彈前宇宙中真空的相對漲落（relative fluctuations）與動量能在跨過反彈時保留下來。

"這表示這個攣生宇宙將有同樣的物理定律，而且，尤其是同我們一樣，具有相同的時間概念，" Singh 說。"物理定律將不會改變，因為演化總是一元的（unitary），這是一個量子系統所能發展的最好方式。在我們的類比中，從遠處來看，它與它的雙胞胎將看起來一樣；任何人都無法分辨它們。"

這表示我們今日的宇宙，在反彈後大約 137 億年（譯註：137？這個數字是不是很熟悉？「石墨薄片讓人一瞥宇宙的基礎」一文指出精細結構常數約等於 1/137）將共享反彈前宇宙在反彈前 137 億年的許多相同特性。就某種意義來說，我們的宇宙有個自我的鏡像，大霹靂（或反彈）是對稱線。

"在反彈前的宇宙中，所有的一般特徵將會相同，" Singh 說。"當宇宙夠大時，它會遵循同樣的力學方程式，愛因斯坦的等式。我們的模型預測，這發生在當宇宙變得比 Planck（普朗克）尺寸要大上 100 倍時。此外，物質的內容將會同樣，而它也將有相同的演化。因為反彈前宇宙正在收縮中，它看起來將猶如我們以反向的時間來看我們的一樣。"

尤其是，Corichi 與 Singh 計算，橫跨反彈時相對漲落中的改變小於 10^-56，這個數量當宇宙膨脹大於 1 megaparsec（百萬秒差距，約 326 萬光年，我們的宇宙約在 3,000 與 6,000 megaparsecs 之間）時會更加渺小。

如同研究者所解釋，有個完全相同的攣生宇宙並不代表二個宇宙的每種特徵會一模一樣。例如，它並不意味著有另一個「你」存在於某一點上，一個已渡過你一生的人。

"若一個人能以某種強大的顯微鏡觀察某些微觀特性 -- 一種相當高能的實驗，探索 Planck 尺度 -- 他或許能在某些數量上看見差異，正如同一個人能看見雙胞胎具有不同的指紋，或一個人有顆痣而另一個人沒有，或不一樣的 DNA，" Singh 說。

如同 Singh 所解釋，就這個可能的反彈前宇宙的細節而論，這裡仍有許多問題。

"最大的問題在於，當我們考慮更加複雜的情況時，這些特徵是否能倖存，" 他說。"例如，一個人可能想知道某些存在於先前宇宙中的結構 -- 如星系 -- 是否會留下某些銘印（imprint）在新擴展的那一個中，這些銘印將引起同樣的結構，或只不過「相似」罷了？好比說，在先前的宇宙中，可能會發生星系以一種不同的方式形成，所以在另一邊可能有不一樣的星系分佈。當我們了解這些模型時，我們將能回答這個問題。"

最終，Corichi 與 Singh 的模型也許甚至能告訴我們未來的宇宙看起來像怎樣。端賴我們目前宇宙的加速有多快 -- 那最終將決定它的命運 -- 這裡有種可能性，此模型的一般化（generalization）將預測我們的宇宙會再度崩壞。

"這樣一個宇宙將有許多反彈，從一個分支到另一個，" Singh 說。"也有可能在不同分支中的宇宙看起來將會一樣。"

※ 跟某些宗教的理論頗像。

＊ Quantum bounce and cosmic recall
http://arxiv.org/abs/0710.4543v2