再来一次“宇宙大爆炸”如何？

詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄的“潘多拉星系团”。NASA / ESA / CSA

没有人真正关心宇宙的命运，因为宇宙的演化是在人类高不可及的尺度上进行的。

现代宇宙学告诉我们宇宙诞生自“一声巨响”——“砰”的一声，它就这样出现了。当然这只是比喻，实际情况理论上远比我们想象的奇妙复杂。

宇宙诞生自“大爆炸”，今天的宇宙又在加速“膨胀”，那么未来它又当如何？是继续“膨胀”下去？还是有朝一日会停止“膨胀”往回“收缩”？以现在的认识，只能说“一切皆有可能”。

最近又有理论学家认为，宇宙不会永远“膨胀”，它会周而复始地“膨胀”和“收缩”，不断重启。

类似的想法其实早就有，一些科幻小说也早就以宇宙的“坍缩”作为构思的素材。但认为宇宙会周而复始地循环“重启”，并认为“暗能量”是推动“重启”的力量，却是新的。

研究人员认为，推动宇宙膨胀的“暗能量”会在宇宙演化的不同时期被“激活”或“关闭”，宇宙因此可以在不同的时期或“膨胀”或“收缩”——并在条件合适的时候，周期性地触发“宇宙大爆炸”，重启一切。

当前宇宙处于加速膨胀中。如果宇宙一直维持当前的状态，在遥远的未来，宇宙中的一切物质和能量都会被撕裂，归于虚无。而科学家将其原因归于所谓的“暗能量”。

宇宙的这种状态是宇宙演化到一定阶段后才出现的。但在宇宙诞生后不久极短的一段时间内，理论上也曾发生过另外一次“急速膨胀”。

起初的宇宙和今天没有任何相似之处，今天的物理学规律在那时是“不存在”的。那时的宇宙极热，密度极高，高得无法根据已知的物理学规律算出有现实意义的值，一切的一切归于所谓的“奇点”。

而就在“起初”之后的那一瞬间，宇宙发生了“几何级”膨胀。这个膨胀和今天宇宙的膨胀不同，被称为“暴涨（inflation）”。对于“暴涨”，虽然讨论颇多，认识却甚少。

一些宇宙学家怀疑，宇宙诞生之初发生的“暴涨”，和宇宙后来发生的“加速膨胀”是否有内在联系。是否有同一种“实体”在推动二者避免陷入“奇点”危机。

为了寻找答案，这一次研究人员建立了一个新的宇宙模型，来检验通常认为是宇宙“加速膨胀”驱动力的“暗能量”，究竟可以在宇宙演化的不同阶段扮演什么样的角色。

根据这个新模型，研究人员发现，在现实宇宙中，如果要避免出现“奇点”这种无解的结果，排除宇宙诞生自一个密度无限大的点这样荒诞的可能，宇宙一定会处于某种无限循环的“反弹”式演化中。

在这样的演化方式中，“暗能量”会推动宇宙膨胀到一定的规模，然后改变性质，促使宇宙收缩。而当宇宙收缩到一定程度，在其密度达到无限大之前，“暗能量”又会再次改变性质，推动宇宙进入“暴涨”，使之得以“重启”。

这个模型还是存在一些问题。在这个新模型中，物质和能量在“暴涨”前必须不存在，否则“暴涨”便无法进行。它们只能在“暴涨”后由一部分“暗能量”衰变而成。研究人员在寻找一种适用的“暗能量”模型方面也遇到了困难，因为结果总是不一致。他们不得不人为地为当今的加速膨胀设定一个比量子力学预言更小的值。

但这个模型也确实为研究指出了一个新方向。人们总归希望未来不一定是黑暗和寒冷的。

参考
Bouncing cosmology from nonlinear dark energy with two cosmological constants
https://arxiv.org/abs/2302.03710