宇宙是怎麼來的，它的歸宿又是如何？看諾獎得主彭羅斯的宇宙觀

作者：佰思科學 ｜沈東旭 邱亞明

學校保安常問你的三個終極問題："你是誰"、"你從哪來"、"你要去哪"，具有高度的哲學抽象性。其實這三個問題也是宇宙學家們終生求索的三個問題，"宇宙是什麼"、"宇宙是怎麼來的"、"宇宙的歸宿如何"？

宇宙大爆炸

現代宇宙學的基礎是廣義相對論。一般認為，宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。大爆炸的過程簡單介紹如下：

· 從宇宙大爆炸開始到10-43秒之間，也就是大約1個普朗克時間，被稱作普朗克時期。在普朗克時期中，四種基本作用力，即引力、電磁力、強相互作用、弱相互作用，是四合一的。我們都知道，現代物理學只能把電磁力、強相互作用、弱相互作用統一在一起，還不能把引力整合進去，因此普朗克時期是現代物理學所無法解釋的。

· 普朗克時期之後到10-36秒之間，是大一統時期，這時候引力和其他三種作用力分離開來。

· 從10-36秒到10-32秒之間，宇宙經歷了一次暴漲，宇宙的尺度一下子增加了1026這麼多，體積上增加了1078。

· 暴漲理論非常的重要，否則無法解釋今天觀察到的宇宙如此的均勻--暴漲階段抹去了宇宙最早期的無序性，

· 暴漲階段結束，意味著大爆炸的結束。因此，宇宙大爆炸持續的時間僅僅為10-32秒。

在這之後，宇宙從極其炙熱和高密度的狀態持續膨脹，並逐漸變冷，直到今天。按照現在的天文觀測，宇宙不僅在膨脹，還在加速膨脹。2011年的諾貝爾物理學獎，就頒給了發現宇宙加速膨脹的三位科學家。

宇宙發展過程

並不是所有的人都認可大爆炸理論，但它是目前最被廣泛接受的一種理論。我們基本上可以認為，大爆炸理論算是解決了"宇宙是怎麼來的"這個問題。那麼宇宙的終極未來又是怎樣的呢？

宇宙的三種結局

從空間的角度來說，宇宙的命運有三種。第一種是走向封閉，就是宇宙膨脹到一定程度之後，開始收縮，這種結果被稱作大擠壓，the big crunch。還有人認為，宇宙收縮回初始狀態，可能又會發生大爆炸，新的宇宙又開始了，被稱作大反彈，the big bounce。

宇宙大擠壓示意圖

第二種，宇宙在膨脹一段時間之後，逐漸停止膨脹，之後保持穩定。看起來似乎是個不錯的結局，好像宇宙可以永恆存在下去，但其實不會，因為所有物質都有它的壽命。

· 1014年後，不再產生新的恆星，宇宙中的恆星逐漸熄滅，走向死亡。

· 距離現在1040年之後，基於質子衰變的理論，宇宙中的質子都會衰變殆盡，宇宙中只留下黑洞和像電子那樣的輕子。

· 黑洞也是有壽命的。根據史蒂芬·霍金的理論，黑洞會輻射能量，叫做霍金輻射。到了10100年之後，大部分的黑洞蒸發完畢。10100就是10後面有100個零，被稱作googol。當年穀歌取名字的時候，就是用了這個大數的名稱。生活中我們碰不到這麼大的數，但是在宇宙學中，嗯，其實這麼大的的數也不算大，因為還有更大的。

· 最大的黑洞，在10150年之後，也蒸發完了，從此宇宙會進入黑暗時代。

· 黑暗時代宇宙中只剩下光子、電子等目前認為不會衰變的物質。

這種情況又被稱作熱寂，the heat death。根據熱力學第二定律，宇宙的熵會隨著時間的流逝而增加，所有物質的溫度達到熱平衡，宇宙中無法維持運動和生命。總之，只要宇宙持續的時間足夠長，就會發生熱寂。

霍金輻射

第三種，宇宙持續加速膨脹。如果膨脹得太厲害，宇宙就要散架子了。星系與星系之間越拉越遠，甚至在可觀測宇宙中沒有其他任何形體，然後圍繞恆星旋轉的行星都會脫離軌道，最後原子都被撕裂摧毀。這就是所謂的大撕裂理論，the big rip，恐怕這是宇宙最慘烈的死亡方式。更有甚者，還有人計算出來，大撕裂會發生在500億年之後，感覺距離現在好近啊！

宇宙大撕裂動畫

總之，無論宇宙如何演化，最終都會死，不過是早死晚死的問題。因此，就算有一天人類實現了長生不老，還要考慮給宇宙延壽才有意義。看完宇宙的大結局，可能大家心情都不好了。這個問題我們先放一放，介紹一下羅傑·彭羅斯吧。

羅傑·彭羅斯

羅傑·彭羅斯是史蒂芬·霍金的老師和同事，出生於1931年，今年已經89歲了，剛剛獲得諾貝爾物理學獎。彭羅斯最重要的貢獻是跟霍金提出了一個關於黑洞的定理。佰思科學在之前的一篇文章中對彭羅斯有過更詳細的介紹。彭羅斯獲獎是因為去年轟動一時的黑洞照片，證實了黑洞的存在，彭羅斯和霍金的貢獻終於得到了諾貝爾獎的認可，因為諾貝爾獎要求獲獎的理論必須被證實才可以頒發。遺憾的是霍金於2018年去世，沒能獲得這項榮譽。諾貝爾獎委員會急著給彭羅斯發獎，可能也是擔心這位89歲的老爺子別像霍金那樣駕鶴西去，連續錯過兩位大師就太遺憾了。

接受訪談的彭羅斯

擔心似乎有點多餘，儘管高齡，彭羅斯老爺子的身體非常好。他現在還到處做講演，宣揚自己的學術觀點。之前佰思科學翻譯了一個彭羅斯關於宇宙的演講視頻，時間是2019年，彭羅斯以88歲的高齡全程站立演講，口齒伶俐，思路清晰，再活二三十年感覺都不是問題。彭老爺子近年來重點宣講的一個觀點，就是宇宙是循環的，他起名為Conformal Cyclic Cosmos，共形循環宇宙，簡稱CCC。他在2005年提出CCC的想法，並在2010年出了一本書，叫做《時間循環》Cycles of Time，專門講這個問題。之後，他又與其他人一道，試圖證明這一觀點的正確性，同時也引起了很多爭議。

彭羅斯的書《時間循環》

首先，彭羅斯認為宇宙是循環發生的，不是一次性事件。他把每一個宇宙階段稱為Aeon，中文翻譯成宇宙世代。一個Aeon終了的時候會開啟新的Aeon，循環往復。循環宇宙論本身並不是新觀點。早在1930年代，愛因斯坦就認為，宇宙大爆炸之後，會發生大擠壓，最後宇宙再發生大爆炸，如此循環。但是大擠壓本身會違反熱力學第二定律，而且目前發現宇宙是加速膨脹的。

CCC宇宙模型

在CCC模型裡，彭羅斯通過所謂的共形變換，將宇宙從大爆炸之後的過程，映射到一個圓柱體上面，於是每一個宇宙世代都是筒狀結構，這樣前後的筒子就可以自然而然地連在一起，如上圖所示。為了說明共形變換，彭羅斯使用了荷蘭畫家Escher的一張圖《天使與魔鬼》，當你從各個方向同時進行壓縮或者拉伸時，圖片上面每個微小角度都不會發生變化，這就是所謂的保角映射。

Escher名畫《天使與魔鬼》

說白了，彭羅斯用數學變換將宇宙從喇叭形映射成筒子形，除了一些學術上的好處，也能方便大家理解宇宙世代之間的連貫性。循環宇宙的概念其實還可以從另一個角度理解。無論大撕裂還是熱寂，宇宙最後都回到了它大爆炸開始時的狀態--一無所有，也就滿足了大爆炸再一次發生的條件，所以大爆炸在宇宙一切歸零之後，應該能再次發生。

彭羅斯的循環宇宙

假如彭羅斯只是提出這樣一種理論的話，他是無可指責的--一個想法而已，誰又能證實或者證偽呢？不過彭羅斯確實想證實CCC理論，結果使得他自己成了一個爭議性人物。

宇宙微波背景輻射（CMB）

彭羅斯認為，上一個Aeon的痕跡，能從宇宙微波背景輻射（CMB）中找到。宇宙微波背景輻射是大爆炸理論的關鍵證據之一，簡單來說就是當年大爆炸的餘溫，在天空中還有2.7K左右的溫度。微波背景輻射發現於上世紀六十年代，發現者也獲得了諾貝爾物理學獎。CMB從太空中各個方向看去都非常均勻，差異不到十萬分之一。彭羅斯說，從那些微小的差異之中，能找到同心環，是過去宇宙世紀中的巨大黑洞留下的遺蹟。彭羅斯等人聲稱，能在天空中找到大約30個這樣的"霍金點"（Hawking point）。

彭羅斯聲稱的同心環

於是爭議就這樣產生了。大部分科學家不認可彭羅斯等人處理CMB數據的手法。彭羅斯的理論，並沒有獲得廣泛的認同。儘管如此，這並不意味類似於CCC這樣的循環宇宙理論不成立。既然宇宙能無中生有地發生大爆炸，為什麼以後不能再次發生大爆炸呢？有可能現在只是沒找到真正的證據而已。

彭羅斯

儘管沒人能看到宇宙的終點，但無論熱寂還是大撕裂，假如宇宙真的不能重頭再來的話，那是怎樣一種絕望！而循環宇宙的想法，大家是不是感覺到了一種人情味？好歹算是一種希望，就好像烈士墳前的小花或者小草那樣--或許下一個宇宙中大家還有再次聚首的機會！