宇宙大反彈挑戰宇宙大爆炸

宇宙誕生的標準故事是這樣的：近140億年前，巨大的能量被物化，仿佛從無到有。

圖註：在循環宇宙中，膨脹期與收縮期交替。宇宙沒有開始，也沒有終點。

在迅速膨脹的短暫瞬間，那股能量像氣球一樣膨脹了宇宙。膨脹拉直了任何大範圍的曲率，導致我們現在描述為平坦的幾何形狀。物質也被徹底混合在一起，因此現在宇宙在很大程度上（儘管不是完美的）顯得毫無特徵。無處不在地成簇粒子形成了星系和恆星，但這只是在一塊沒有瑕疵的宇宙畫布上的微小斑點。

該理論被教科書稱為宇宙膨脹，它與迄今為止的所有觀察結果相匹配，並且是大多數宇宙學家所偏愛的。但它具有概念上的含義，有些人覺得令人不安。在大多數時空地區，快速膨脹永遠不會停止。因此，膨脹不能不產生一個多宇宙——一種技術色彩的存在，擁有無限多樣的各種袖珍宇宙，我們稱之為&34;。對於批評家來說，膨脹能夠預測一切，這意味著它最終無法預測任何事情。「膨脹沒有按預期的方式起作用，」保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）說，他已成為最著名的宇宙膨脹學批評家之一。

近年來，斯坦哈特（Steinhardt）和其他人一直在探討關於宇宙如何發展的另一個故事。他們復興了周期性宇宙的概念：一個周期性增長和收縮的宇宙。他們希望能夠複製我們看到的平坦而光滑的宇宙，而不會產生大爆炸。

為此，斯坦哈特和他的合作者最近與專門研究引力計算模型的研究人員合作。他們分析了崩潰的宇宙將如何改變其自身的結構，並最終發現收縮可以在其自身的博弈中戰勝膨脹。無論宇宙在收縮之前看起來多麼奇異和扭曲，坍塌都會有效地消除各種原始褶皺。

史丹福大學的宇宙學家萊昂納多·塞納託雷（Leonardo Senatore）說：「這很重要，他們聲稱自己做了什麼。」他用類似的方法分析了膨脹，他說，他的工作中有一些方面還沒有機會進行調查，但是乍一看「看來他們已經完成了」。

壓縮視圖

在過去的一年半中，斯坦因特，德國馬克斯·普朗克引力物理研究所的宇宙學家安娜·伊賈斯（Anna Ijjas）與其他人的合作，使人們對循環或「 烈火重生（ekpyrotic）」宇宙有了新的認識，宇宙實現重生而不會崩潰。

在可視化膨脹和收縮時，人們經常關注氣球狀的宇宙，其大小變化由「比例因子」描述。但是第二個測量值——哈勃半徑，這是我們可以看到的最大距離——很快就變小了。廣義相對論方程使它們能夠獨立發展，並且至關重要的是，您可以通過改變其中任何一個來使宇宙扁平化。

想像一下氣球上的一隻螞蟻。膨脹就像吹氣球一樣，它主要將平滑和展平的責任放在膨脹的宇宙上。但是，在循環宇宙中，平滑發生在收縮期。在此時期，氣球會適度放氣，但實際工作是通過水平急劇縮小來完成的。就像螞蟻通過越來越強大的放大鏡觀看一切。它可以看到的距離在縮小，因此它的世界越來越無特色。

斯坦哈特和他的夥伴設想一個由無所不在的（假設的）場的能量驅動的，可能膨脹一萬億年的宇宙，我們目前將其行為歸因於暗能量。當此能量場最終變得稀疏時，宇宙開始逐漸收縮。在數十億年的時間裡，縮小規模的因素使一切都變得更近了，但並非一直到一個點。戲劇性變化來自哈勃半徑，該半徑進入並最終變為微觀。宇宙的收縮為能量場注入了能量，能量場加熱了宇宙並蒸發了其原子。隨後出現反彈，並且循環重新開始。

在宇宙大反彈模型中，微觀哈勃半徑可確保平滑度和平坦度。儘管膨脹將許多最初的缺陷吹散到了多元宇宙「房地產」的巨大地塊中，但緩慢的收縮卻使它們基本上不復存在。我們留下了沒有起點、沒有終點、在大爆炸中沒有奇點、也沒有多重宇宙的宇宙。

從任何宇宙到我們的

膨脹和反彈宇宙學的一個挑戰是，無論它們如何開始，它們各自的能量場都能創造出正確的宇宙。伊賈斯說：「我們的哲學是不應有任何哲學。」「您知道它在不需要詢問什麼情況下才有效。」

她和斯坦哈特（Steinhardt）批評膨脹僅在特殊情況下才能發揮作用，例如當其能量場形成時沒有明顯特徵且運動很少。理論家已經對這些情況進行了最徹底的探討，部分原因是它們是黑板數學中唯一可以說服的例子。在最近的計算機仿真中，伊賈斯和斯坦哈特在六月在線發布的一對預印本中描述了該團隊，對他們的慢速收縮模型進行了壓力測試。

普林斯頓大學理論物理學家弗朗斯·普雷託裡烏斯（Frans Pretorius）專門研究廣義相對論的計算模型，他改編了這段代碼，探索了扭曲而又塊狀的磁場，錯誤的方向運動的磁場，甚至是兩半朝相反方向運動的磁場。在幾乎每種情況下，收縮都會迅速產生像我們一樣無聊的宇宙。

「在宇宙緩慢收縮的瞬間，它看起來就像絲綢一樣光滑。」斯坦哈特說。

牛津大學的宇宙學家凱蒂·克拉夫（Katy Clough）專門研究廣義相對論的數值解，他稱這種新的模擬「非常全面」。但是她還指出，計算的進步直到最近才使這種分析成為可能，因此膨脹可以處理的所有條件仍然未知。

她說：「它已經被半掩蓋了，但是還需要做更多的工作。」

儘管人們對伊賈斯模型和斯坦哈特模型的興趣有所不同，但大多數宇宙學家都認為膨脹仍是制勝法寶。紐約大學的宇宙學家格裡高裡·加巴達茲（Gregory Gabadadze）說：「在這一點上，[緩慢收縮]並不是平等的競爭者。」

接下來的合作將使反彈本身更加充實，這是一個更複雜的階段，需要新穎的交互才能將一切再次推開。伊賈斯已經有了一個反彈理論，通過物質和時空之間的新相互作用來提升廣義相對論，她懷疑其他機制也存在。她計劃儘快將模型放在計算機上，以詳細了解其行為。

該小組希望將收縮和膨脹階段粘合在一起，從而確定天文學家可能發現的反彈宇宙的獨特特徵。

這項合作並未解決周期性宇宙的每一個細節，沒有爆發和緊縮，更不用說我們生命在其中。 但是斯坦因哈特現在對此模型感到樂觀，認為該模型將很快為多元宇宙提供可行的替代方案。「我最擔心的障礙已被超越。」 他說，「我不再晚上睡不著了。」