大爆炸前的宇宙是怎样的

常有人问：“大爆炸之前的宇宙是怎样的？”

根据霍金的奇点定理，回答总是：“不存在大爆炸之前。宇宙连同空间、时间及其物质和能量都诞生于大爆炸时密度和曲率无限大的奇点。”不过，暴胀宇宙理论的提出和暗能量的发现突破了奇点定理，所以这个回答不一定正确。那么除此以外，还有哪些可能呢？

这是个高度猜测性的命题，科学家设想了许多模型。下面举几个有趣的例子。

首先是循环宇宙的模型。爱因斯坦在20世纪30年代曾经认为，宇宙在膨胀和收缩——或者说大爆炸和大挤压之间进行循环，这就是循环宇宙或者振荡宇宙。在这种模型中，宇宙会在大挤压中结束，然后就像神话中在灰烬里重生的凤凰，每次大挤压后又重新发生大爆炸，开始新的一轮膨胀与收缩。但是，美国物理学家托尔曼提出了疑问：按照热力学的“熵增加原理”，这样的循环每进行一次，循环的周期和幅度必须变得更长、更大。倒过来看，前一次的循环就一定更短、更小，结果似乎回到了大爆炸的奇点。目前还很难确定这种循环会不会发生，会以怎样的形式发生。因为用来描述宇宙演化的理论主要是引力理论，当宇宙变得非常小时，必须同时考虑量子效应，这就需要首先发展出一套完备的量子引力理论。

近几十年来，一种量子引力的候选理论——超弦理论悄悄兴起。建立在弦论基础上的循环宇宙开始流行，这就是膜宇宙模型。弦论允许我们将宇宙描述成高维空间中的一张三维膜。这张膜可能会跟另一张完全平行的膜发生周期性的碰撞和反弹，碰撞过程类似于大爆炸，但不会产生无穷大的奇点问题。碰撞释放的能量转化成基本粒子，然后逐渐演化出各种天体结构，甚至智慧生命。但每一次碰撞都会把上一轮宇宙中的一切结构统统抹去，于是宇宙在碰撞和反弹之间一次次循环。

还有一种有趣的模型就是混沌暴胀模型。现在的天文观测表明，宇宙在诞生之初很可能经历了一次暴胀，然后逐渐安静下来，产生了众多的星系乃至人类本身。但是，物理学家林德在1986年提出，暴胀一旦发生，就永远无法停止。因为暴胀会让空间急速膨胀，随着空间迅速变大，无处不在的量子涨落可能会引发空间的局部发生新的暴胀，进而让这部分空间变得更大，然后又在其中的某个地方引发新的暴胀。在这样的模型中，永恒的暴胀就像一锅沸腾的开水，我们的宇宙只是其中一个气泡。这个气泡幸运地停止了暴胀，最终演化成一个有血有肉的宇宙。这个宇宙之外，可能还存在别的气泡宇宙，这样的气泡还在不断地冒出、长大。逆着时间往回看，我们的宇宙可以追溯到一次暴胀，而这次暴胀又可以追溯到另一次暴胀。这个追溯过程也许可以无限地进行下去。

关于大爆炸之前，理论家们各执一词。人们希望从宇宙微波背景辐射的精确测量中获得更多信息，用来甄别理论的真伪。且看谁会笑到最后。（傅承启）

从弦论观点来看，世界可能是由弦组成的

【科学人】托尔曼

托尔曼（左）和爱因斯坦（右）

理查德·托尔曼（1881—1948），美国数学物理和物理化学家，加州理工学院著名教授，兼有实验和理论才华，特别擅长统计力学。托尔曼对爱因斯坦的振荡宇宙模型提出质疑，导致这种理论模型在20世纪60年代后不再流行。

【微问题】假如宇宙是个半径为138亿光年的球，那么一个具有临界密度的宇宙，其质量是多少呢？

【关键词】宇宙临界质量密度　大挤压　大撕裂　膜宇宙