大反弹模拟挑战大爆炸

宇宙诞生的标准故事大致是这样的：大约140亿年前，巨大的能量不知从何而来。

在短暂的快速膨胀的瞬间，能量的爆发使宇宙像气球一样膨胀。膨胀拉直了任何大尺度的曲率，导致了我们现在所描述的平坦的几何体。物质也完全混合在一起，所以现在的宇宙看起来大部分(虽然不是完美的)没有特征。在这里和那里，粒子团创造了星系和恒星，但这些只是一张没有瑕疵的宇宙画布上的微小斑点。

这一理论被教科书称为“暴胀”，与迄今为止所有的观测结果相符，受到大多数宇宙学家的青睐。但它的概念含义让一些人感到不安。在大多数时空区域，快速膨胀永远不会停止。因此，通货膨胀不禁产生了一个多元宇宙--一个有着无限种类的袖珍宇宙的彩色存在，其中一个我们称之为家。对批评者来说，通胀可以预测一切，这意味着它最终什么都不能预测。通货膨胀的设计师保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)说，“通货膨胀并没有像预期的那样奏效。”斯坦哈特已成为通货膨胀最著名的批评者之一。

近年来，斯坦哈特和其他人一直在为我们的宇宙是如何形成的发展出一个不同的故事。他们重新唤醒了周期性宇宙的概念：一个周期性增长和收缩的宇宙。他们希望复制我们所看到的宇宙-平坦而平滑-没有伴随爆炸而来的包袱。

为此，斯坦哈特和他的合作者最近与专门研究重力计算模型的研究人员合作。他们分析了塌缩的宇宙将如何改变它自己的结构，最终发现收缩可以在它自己的游戏中击败通胀。无论宇宙在收缩之前看起来多么怪异和扭曲，坍塌都会有效地消除大量原始皱纹。

斯坦福大学(Stanford University)宇宙学家莱昂纳多·塞纳托雷(Leonardo Senatore)曾用类似的方法分析过通货膨胀，他说：“他们声称自己做了什么，这非常重要。”他说，他还没有机会调查这项工作的某些方面，但乍一看，“看起来他们已经做了。”

在过去一年半的时间里，斯坦哈特、德国马克斯·普朗克引力物理研究所的宇宙学家安娜·伊贾斯(Anna Ijjas)等人合作，出现了一种关于循环宇宙或称“热宇宙”的新观点--一种实现了再生而不坍塌的宇宙。

当谈到可视化的膨胀和收缩时，人们通常关注气球状的宇宙，它的大小变化用一个“比例因子”来描述。但第二个衡量标准-哈勃半径，这是我们能看到的最大距离-却受到了冷落。广义相对论方程式让它们独立进化，最重要的是，你可以通过改变其中任何一个来使宇宙变平。

想象一只蚂蚁在气球上。通货膨胀就像吹气球一样。它把平滑和扁平的责任主要放在膨胀的宇宙身上。然而，在循环宇宙中，平滑发生在收缩期间。在这个时期，气球适度放气，但真正的工作是由急剧缩小的地平线完成的。这就好像蚂蚁通过一个越来越强大的放大镜来看待一切。它能看到的距离缩小了，因此它的世界变得越来越平淡无奇。

斯坦哈特和他的公司设想一个宇宙可能膨胀一万亿年，由一个无处不在的(和假设的)场的能量驱动，我们目前将其行为归因于暗能量。当这个能量场最终变得稀疏时，宇宙开始温和地收缩。在数十亿年的时间里，收缩的比例因子让一切都变得更近了，但并不是一直到某一点。这种戏剧性的变化来自哈勃半径，它冲进来并最终变成微观的。宇宙的收缩给能量场充电，使宇宙升温并使其原子蒸发。随之而来的是反弹，新的周期又开始了。

在反弹模型中，微观哈勃半径可确保平滑度和平坦度。尽管通货膨胀将许多最初的缺陷炸成了多元宇宙房地产的巨大地块，但缓慢的收缩从根本上将它们挤出了存在。我们剩下的宇宙没有起点，没有终点，在大爆炸中没有奇点，也没有多元宇宙。

膨胀宇宙学和反弹宇宙学都面临的一个挑战是，无论它们如何开始，都要证明它们各自的能量场创造了合适的宇宙。“我们的哲学是不应该有哲学，”伊贾斯说。“当你不需要问它在什么条件下工作时，你就知道它是有效的。”

她和斯坦哈特批评通货膨胀只有在特殊情况下才能发挥作用，比如当它的能量场形成时没有显著的特征，几乎没有运动。理论家们对这些情况进行了最彻底的探索，部分原因是它们是唯一可以用黑板数学处理的例子。在最近的计算机模拟中，Ijjas和Steinhardt在6月份发布在网上的一对预印本中描述了这一点，研究小组用一系列过于狂野的婴儿宇宙对他们的缓慢收缩模型进行了压力测试，无法进行纸笔分析。

这项合作采用了普林斯顿大学(Princeton University)专门研究广义相对论计算模型的理论物理学家弗朗斯·比勒托利斯(Frans Pretorius)开发的代码，探索了扭曲而崎岖的场，朝着错误方向移动的场，甚至连天生就有一半朝相反方向竞赛的场也是如此。几乎在每一种情况下，收缩都会迅速产生一个和我们的宇宙一样乏味的宇宙。

“你就让它过去吧，然后砰的一声！在宇宙中几个缓慢收缩的时刻，它看起来像丝绸一样光滑，“斯坦哈特说。

牛津大学宇宙学家凯蒂·克劳夫也专门研究广义相对论的数值解，她称新的模拟“非常全面”。但她也指出，计算技术的进步只是在最近才使这种分析成为可能，因此通胀可以处理的所有条件仍然是未知的。

“它已经被半覆盖了，但还需要做更多的工作，”她说。

虽然人们对Ijjas和Steinhardt模型的兴趣各不相同，但大多数宇宙学家一致认为，膨胀仍然是需要克服的范例。纽约大学(New York University)宇宙学家格雷戈里·加巴泽(Gregory Gabadadze)表示：“在这一点上，(缓慢收缩)并不是一个平等的竞争者。”

合作下一步将充实反弹本身-这是一个更复杂的阶段，需要新颖的互动来再次将一切推向四分五裂。Ijjas已经有了一个反弹理论，它用物质和时空之间的一种新的相互作用来升级广义相对论，她怀疑还有其他机制存在。她计划很快将她的模型放到电脑上，以详细了解它的行为。

该小组希望，在将收缩和膨胀阶段粘合在一起后，他们将识别出天文学家可能发现的弹跳宇宙的独特特征。

合作并没有弄清楚循环宇宙的每一个细节，没有爆炸也没有紧缩，更不用说表明我们生活在一个循环的宇宙中了。但斯坦哈特现在乐观地认为，该模型很快就会为多元宇宙提供一个可行的替代方案。“我最担心的路障已经被克服了，”他说。“我再也不会夜不能寐了。”

编者按：这项研究的部分资金来自西蒙斯基金会，该基金会也为这本编辑独立的杂志提供资金。西蒙斯基金会的资金决定在我们的覆盖范围内没有任何作用。有关更多详细信息，请单击此处。