宇宙誕生前到底什麼樣?

「宇宙誕生之前到底是什麼」這還將是一個無解的問題。

大爆炸理論認為，甚至在更早的時候，在某一時刻，整個宇宙（包含所有的恆星，所有的星系，所有的一切）只有一個桃子那麼大，而溫度超過千萬億度。

新浪科技訊 北京時間5月6日消息，據國外媒體報導，過去幾十年來，物理學家告訴我們，一開始宇宙處於密度和溫度都無限高的狀態，可以想像成一個無限稠密的小球體；然後，這個小球體爆炸了，產生了我們今天看到的原子、分子、恆星和星系。

但最近，新的理論物理學研究發現了一扇通向極早期宇宙的可能窗口，並指出這段時期可能根本就不是真正的「極早期」。相反，這可能只是最近一次「爆炸—反彈」周期的一部分。這樣的循環至少出現過一次，並可能永遠持續下去。

當然，在物理學家決定拋棄大爆炸而選擇「大爆炸-反彈」周期之前，這些理論預測還需要經過大量的觀察檢驗。

大爆炸理論

科學家對早期宇宙已經有了很好的認識，這就是我們熟知並廣為接受的大爆炸理論。在這個模型中，很久以前的宇宙比現在小得多，熱得多，密度也大得多。在138億年前的早期宇宙中，構成我們今天所有一切的元素都是在大約12分鐘內形成的。

大爆炸理論認為，甚至在更早的時候，在某一時刻，整個宇宙（包含所有的恆星，所有的星系，所有的一切）只有一個桃子那麼大，而溫度超過千萬億度。

令人驚訝的是，目前所有的觀察結果都證實了這個奇幻的故事。天文學家做了各種各樣的工作，從觀測年輕宇宙遺留下來的電磁輻射，到測量最輕元素的豐度，結果發現它們都符合大爆炸理論的預測。就我們所知，這是目前對早期宇宙的最準確寫照。

儘管如此，我們知道大爆炸理論的框架並不完整——有一塊拼圖不見了，而那塊拼圖就是宇宙本身最早的時刻。

這是宇宙最大的謎題之一。

火宇宙

問題在於，我們用來理解早期宇宙的物理學（廣義相對論和高能粒子物理學的奇妙而複雜的大雜燴）只能把我們帶到大爆炸那一刻。當我們試圖把宇宙的最初時刻再向前推時，數學變得越來越難解，直到無法適用。

物理學家尚未探索的一個重要問題是在大爆炸開始時存在的「奇點」，或一個密度無窮大的點。從表面上看，這告訴我們，在某一時刻，宇宙被塞進了一個體積無限小、密度無限大的點。這顯然是荒謬的，其真正代表的含義是，我們需要新的物理學來解決這個問題——目前的理論工具還不夠好。

為了破解這一難題，我們需要一些新的物理學工具，一些能夠在超高能量下處理引力和其他力的東西。這正是弦理論所主張的，它可以作為一種能夠在超高能量下處理引力和其他力的物理模型。換言之，弦理論聲稱可以解釋宇宙的最初時刻。

最早的弦理論概念之一是「火宇宙」（ekpyrotic universe），這個詞來自希臘文，意為「大火」。在這一概念下，我們所知道的大爆炸是由在它之前發生的其他事件引發的——大爆炸不是開始，而是一個更大過程的一部分。

「火宇宙」的概念擴展之後，又產生了一種被弦理論激發的理論——循環宇宙（cyclic cosmology）。從技術上講，宇宙不斷循環往復的概念已經有幾千年的歷史了，比物理學還早，但弦理論為這個想法奠定了堅實的數學基礎。正如一般想像的那樣，這個「循環宇宙」不斷在大爆炸和大擠壓（big crunch）之間反彈，可能是回到過去的永恆，也可能是進入未來的永恆。

按照大反彈理論，每次循環都以一個平滑的小宇宙開始，但不可能像奇點那麼小；之後，這個小宇宙逐漸擴張，變得越來越大，越來越扭曲，達到一定程度後開始坍縮，同時變得越來越平滑，最終縮小到開始時的體積；接著又重新開始同樣的循環。

在初始之前

「循環宇宙」理論聽起來很酷，但早期的數學模型很難匹配觀測結果。當我們真正嘗試做科學研究時，這是非常重要的一個問題。

最主要的障礙在於如何與宇宙微波背景的觀測結果相吻合。宇宙微波背景是宇宙誕生38萬年時遺留下來的熱輻射，被稱為「宇宙中最古老的光」。儘管我們不能直接觀測到宇宙微波背景之前的一切，但如果想從理論上著手對早期宇宙的物理學進行修補，就會影響到這些「餘光」的模式。

因此，循環宇宙似乎是一個簡潔但不正確的概念。但是，多年以來，科學家們一直懷揣著「火宇宙」理論的種子。在2020年1月發表在arXiv資料庫上的一篇論文中，加拿大麥吉爾大學的物理學家羅伯特·布蘭登貝格爾（Robert Brandenberger）等研究者探索了該理論的數學難題，並發現了一些此前沒注意的因素。他們發現，在「反彈」的時刻，即當宇宙收縮到一個極小的點並回到大爆炸狀態時，可以使理論預測與觀測檢驗的結果達成一致。

換句話說，儘管這個關鍵時期的物理學非常複雜（而且了解還很有限），但確實會讓我們對宇宙的時間和位置有一個根本性的修正。當然，要完全檢驗這個模型，我們還必須等待新一代的宇宙學實驗。在那之前，「宇宙誕生之前是什麼」還將是一個無解的問題。

原標題：宇宙大爆炸之前到底發生了什麼？