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无量劫运:火劫宇宙和轮回宇宙模式简介

已有 8047 次阅读 2017-2-12 21:55 |个人分类:道法自然|系统分类:科普集锦| 宇宙, 轮回, 火劫

无量劫运:火劫宇宙和轮回宇宙模式简介

郑中(Geongs Zhern

宋代谢守灏《太上混元老子史略》:“常于无量劫运之端,太初太易之前,肇布玄元,始而生太极至劫终于六合俱消,混沌为一劫历重开凡经无量浩浩之劫,悉如是矣。”东晋跋陀所译《观佛三昧经》:“无日月星宿,亦无昼夜,唯有大冥,谓之火劫。”佛教认为,一世界从成立到毁灭的过程,可分为成、住、坏、空四个时期,称为“四劫”。

古希腊斯多葛学派认为宇宙是一团大火,处于诞生、冷却和重生的永恒轮回之中。哲学家赫拉克利特曰:“宇宙既不是神、也不是人创造的,它过去、现在和将来是一场永恒的活火,按一定规模燃烧,一定规模熄灭。”他认为,火乃诸元素之至精,禀于无形;火既在运动,又使它物运动。尼采在《查拉图斯特拉》一书中再次提到“永恒轮回”思想,其本义是“无限接近存在的不断生成”。东西方古典哲学世界观诸元素中都含有“火”和“水”,但古中国宇宙观更具水性,古希腊的宇宙观更具火性。

根据火劫理论的解释,大爆炸实际上是大回弹(big bounce),是从前一膨胀世代向当前膨胀世代的过渡。塑造我们宇宙的关键事件发生在回弹之前,而在轮回模式中,宇宙以规则间期发生回弹。故当将轮回宇宙模式中的Ekpyrotic universe译为“火劫宇宙”,否则译为“火宇宙”或“焚宇宙”。


概念缘起

Ekpyrotic universe,火宇宙、火劫宇宙。这是一种解释宇宙大尺度结构起源的早期宇宙学模式。最初在1998年由布尔特•沃夫特(BurtOvrut)提出,后在2001年由嘉斯廷•考瑞(Justin Khoury)、保尔•斯坦哈特(Paul Steinhardt)和内尔•图若克(Neil Turok)进一步介绍了该模型,但最初的命名是由斯坦哈特根据早期单词ekpyrosis(古希腊:κπύρωσις, ekpurōsis, "conflagration")而确定。轮回宇宙论(cyclic universe theory)整合了这种模式,提出了一种完整的宇宙学历史,它探究了大爆炸膨胀论模式未解决的基本问题:大爆炸之前发生了什么?

当火宇宙推出时,弦论新思想未能向作者说明改进膨胀论的方式,他们提出一种一起取而代之的方式。斯坦哈特和图若克在听了伯特欧夫特(Burt Ovrut)关于碰撞膜的演讲之后,意识到这种碰撞可导致我们所思考的大爆炸。碰撞产生能量大泄放,并导致我们观测到的膨胀宇宙。膜变起褶皱,但随时间流逝,它们因膨胀变得平直,而物质和能量变得越来越稀薄。碰撞之后,膜运动分开,但最终它们将再次彼此靠近,这样另一次碰撞将发生。宇宙故事的第二幕可能正如我们所演绎的那样,但第一幕可能是完全不同的,惊人的发生在第三幕——这就是可能无限次数的轮回之一。为何这种轮回模式不必“减弱”,也认为宇宙定律可能从一道轮回演变到另一道轮回。所以,大爆炸不是时间的开始,而是通往无终结的演化反复循环的过去的桥梁,每次伴随发生新物质的创造,新的星系、恒星和行星的形成。


火劫宇宙模式

来源:Discover Magazine2004


基于M论的宇宙学模型是内尔图若克和保尔斯坦哈特提出的。在兰德尔-桑德儒模型中,我们有一个边界蕴含两类膜的五维宇宙。现在设想将其代替为膜沿体空间的第五维移动。这种思想就是火劫宇宙的起源,这是一种完全根植于弦/M论的模型。特别是,火劫宇宙图景基于五维杂化M论,该模型采用5维时空进行研究,因为M论中是在11维时空,而将其六维紧缩入一个与宇宙尺度无关的微隅内。

   在该模型中,我们正在设想一种永恒存在的宇宙,但它经历一种循环模式。这种模式开始于一种边界膜特征的初始态,存在于一种平直、虚空而冷却状态中。它们位于第五维空间边界,并且相互平行。如前面提到,在火劫宇宙方案中,膜是可动的,所以它们彼此相对运动并发生碰撞。膜碰撞在文献中叫做火烧(ekpyrosis过程,常称为“大爆炸”。从膜碰撞产生的能量创造了膜内物质。在膜碰撞之后,膜相互弹开,并冷却降温。最后它们恢复到冷却的、虚空的、平直的初始态,然后火烧过程再次开始。隐藏在该过程之后的驱动力是纯量场φ,它确定了膜间距。这导致宇宙演化先经历缓慢加速膨胀期,接着是减速膨胀期直至收缩期,如此再次触发宇宙的反弹和再热。

这里描述的宇宙图景解决了很多宇宙学谜题,如果它是可信的话。第一,让我们思考膨胀解决的两类主要谜题:均匀性和各向同性。膨胀论通过假设存在一种场在瞬间打开而导致宇宙指数式扩张,从而找到了一种解决该问题的途径(解释了为什么宇宙是均匀而各向同性的)。然而,这种膨胀宇宙图景已被胡乱地作了量化,不得不令人怀疑这种场闪一下就打开、忽然又关闭的理论,这在整个宇宙学历史上难以再看到。所以,火劫宇宙图景不得不提供某种东西。

在火劫宇宙图景中,有两个平直的平行膜,就像两块靠近的完全平坦的金属板一样碰撞。既然膜是平行的,它们沿膜在所有点同时发生碰撞(几乎任何地方,暂不考虑量子理论的干扰)。这种作用增加了宇宙火烧温度。这解释了宇宙为何各向同性以及宇宙微波背景为何均匀---宇宙开始于在所有点发生相同的初始碰撞。

平直疑难可通过将膜的初始条件设置为真空态而得以解决。在真空态中,膜是平直而虚空的,所以没有神秘的物质密度精调以使宇宙变为平直。合理的假设是,真空态中的膜启动,促使它们变得平直。

当然,量子论意味着一切远非描述的那样精确。膜内的量子波动称为膜纹(Brane ripple,导致膜沿第五维运动。这些波动意味着并非膜上每个点在完全相同的瞬间与其它膜发生碰撞。反之,大多将在某段平均时间内发生碰撞,而有一些比平均时间更早发生碰撞,有一些则比平均时间更晚发生碰撞。因此,并非是在绝对一致的温度条件下产生宇宙,碰撞将产生这样一种宇宙:某些区域略低于平均温度(因更早碰撞),而一些区域略高于平均温度(因更晚碰撞)。而这些就是宇宙用来产生大尺度结构(如星系)的种子,量子效应可产生宇宙大尺度结构。这就为宇宙中的极大与极小尺度之间提供了一种联系。

广义相对论的一个令人讨厌的特征是理论中存在“奇点,即曲率(引力场)和温度发散至无限大的时空点。大爆炸奇点”就是这样一个例子。

在火劫模型中,奇性比经典广义相对论大为减弱。两类膜对面运动,发生碰撞,然后弹开,再返回其初始位置。大爆炸是一种有限高温事件,这不对应无限曲率的奇性。而无需神奇的菲亚特推测的那种诞生全部物质、空间和时间的无限小的点。但当两类膜碰撞时,在大挤压”Big crunch)时存在奇性行为,因为膜之间的额外维消失于碰撞中。在膜分离之后,彼此远离,额外维再次出现。当然,这种模型去掉了广义相对论的多数奇性行为,却难以相信时间和空间永恒存在。最后,实验和观测将以科学的方式确定该图景是否接近真实。

火劫图景回答了宇宙学的另外一个谜题---物质的起源。在膜碰撞中,动能被转化为热或热能。这恰如一辆车发生撞击,车子的动能转化为热。对于膜世界那种情况,热能可通过爱因斯坦关系式E = mc2而创造出物质。

目前火劫图景方案就是所谓的宇宙轮回模式。它认为:

大爆炸不是时间的起源。

宇宙永恒存在,并以膜的反复碰撞运行。

宇宙历史循环经历如下情景:

两类膜碰撞假设大爆炸在宇宙轮回之间起着过渡作用,并产生了物质和辐射。

在热大爆炸期间产生了宇宙大尺度结构。

接着是缓慢的加速膨胀期,宇宙冷却而稀释。

火劫图景提供了解释宇宙膨胀的一种候选方案,可解释很多宇宙谜题。令人惊喜的是,还具有可观测检验的特征(至少原则上)。膨胀论预言引力波是标度不变量(scale invariant),但这在火劫宇宙模式中,这不是必然结论。


注:此节摘自郑中译《弦论揭秘》。


剃掉多宇宙

   火模式和轮回模式的一个关键优势在于,它们不产生多宇宙(multiverse)。这是重要的,因为当量子涨落效应适当地包含在大爆炸膨胀模式(bigbang inflationary model)中时,它们防止宇宙达到宇宙学家们试图解释的均匀性和平直性。反之,膨胀的量子涨落导致宇宙破裂成片块,每块具有可信的物理参量组合。大爆炸膨胀论不能作出清晰的预测,允许有任何结局,乃至我们观测到的参量可能被视为随机概率,是多宇宙(地球存在其中)的特殊片块所导致的产物。多宇宙(multiverse)的大部分区域会具有很不同的参量。

   诺贝尔获奖者斯题文温伯格(Steven Weinberg)已提出,如果多宇宙是正确的,那么“为夸克质量的精确值,以及我们在大爆炸中观测到的其它标准模型的常数,寻找一个理性解释的希望就是渺茫的,因为他们的数值就是我们居住其中的多宇宙的特殊部分的偶然事件。”

   我们宇宙的参量是一种偶然事件,来源于允许其它可能性的多宇宙理论,这种思想与如下事实难以调和:宇宙在大尺度上是非常简单(均匀而平直)的,基本粒子看起来可用简朴的对称性和相互作用来描述。偶然性概念不能被实验证伪,因为任何未来的实验仍可被视为其它偶然特征。

   在火模式和轮回模式中,平滑性和平直性发生在缓慢收缩时期,所以量子涨落不是被膨胀,不能产生多宇宙。结果火模式和轮回模式预测简单的物理参量符合当代实验证据,并没产生多宇宙。这使这些模式有价值,同时易受抨击,因为它们能被实验证伪。



凤凰浴火重生

古印度史诗《罗摩衍那》记载:保护神毗湿奴点燃熊熊烈焰,垂死的凤凰投火自尽,再从灰烬重生飞出美丽辉煌的火凤凰。传说中她是人间幸福的使者,每五百年投火自焚;在经历烈火煎熬的无限痛苦之后,生命和灵魂获得新生,如是轮回,不断升华,臻于完美,此谓涅磐(烈梵),意译为灭度、寂灭、解脱、圆寂,以此寓意不畏痛苦、义无返顾、不断追求、自我超越的执着精神。

杰恩-鲁克勒内斯(Jean-LucLehners)和保尔斯坦哈特近期进一步发展了轮回火劫宇宙模式,提出了暗能量扮演着关键角色的“凤凰宇宙”模式。这种新模式加入了暗能量,吸收了多宇宙思想,可以说是古印度火凤凰意象在现代宇宙学中的史诗般复活。

在基于单纯量场(如辐射确定M论中的膜间距)的轮回宇宙模式中,实际上整个宇宙经历平滑而平直的火劫时期,回弹,然后进入一个膨胀冷却的新世代。但如果尺度不变的曲率微扰作用是由熵机制(entropic mechanism)产生的,这种稳定演化不可能发生,因为熵机制需要双纯量场(如,辐射粒子和卡丘伸缩子)沿一个不稳定的经典轨迹演化。实际上,压倒一切的宇宙分数不能使之经历火劫时期;无论如何,存在充分大的体积,轮回永远持续,这保证了轮回的暗能量时期延续足够长时间(万亿年量级)。他们研究得到两个重要结果:暗能量对火劫宇宙演化的新作用,宇宙整体结构根本不同于永恒膨胀的宇宙结构


双场轮回宇宙的整体结构示意图:平滑而平直的大区域与已坍缩的停止循环的小区域呈相间分布。较亮的阴影小区将在下一次轮回中变成整个宜居区域。根据杰恩-鲁克勒内斯和保尔斯坦哈特。


   杰恩-鲁克勒内斯和保尔斯坦哈特强调暗能量对凤凰宇宙(phoenix universe)的重要性。以前对轮回宇宙的研究是基于单场的,火劫时期没有不稳定性,暗能量的角色局限在:当辐射粒子在回弹后过量(或膜在碰撞后分离太大),保证轮回解是运动学方程的一个稳定吸引子解。暗能量对于平滑或平直的宇宙来说是不必要的:这只有在火劫收缩期是比较稳妥的。为了期遇吸引子必要条件,仅需二或三倍的暗能量主导。对于凤凰宇宙而言,虽然暗能量扮演着一个新角色:它扩张空间区域,期遇所需条件来完成不稳定的火劫轨迹,并再回弹为一个平滑而平直的宇宙块片,具有几乎标度不变的涨落,这符合天文观测。暗能量分数太小的宇宙块片,会从一次轮回收缩到下一次轮回,不会继续存在。至少以60倍于当代膨胀速度的加速膨胀(或6000亿年的暗能量时期)的宇宙块片,会在不断轮回中增长,凤凰宇宙永远重生。因此,暗能量被赋予一种新角色,必须满足一个新制约。新制约就是相当的轻量化,但非定量化,通过控制凤凰宇宙的存活或终结,这可作为有助于解释为何当代宇宙的暗能量密度是那么小、但非零的一个判别标准。


理论检测

火劫模式的重要性在于这不是一个无根据的猜测,认为当代观测结果正如大爆炸膨胀模型。在1920年代,宇宙学微波背景辐射被发现,而自研究CMBR细节以来,在探测我们所居宇宙的宇宙学中起了作用,包括神秘的暗物质和甚至更神秘的暗能量,它导致宇宙加速膨胀的宇宙量子场。

最初的火宇宙模式基于弦论、膜和额外维,但多数当代火劫宇宙和轮回宇宙模式采用了与膨胀模式(量子场演化于普通时空内)相同的物理要素。该理论显示在准确描述我们迄今关于宇宙的了解,取得印象深刻的成功。它预测均匀而平直的宇宙具有热点和冷点的斑图,现在可见于宇宙微波背景(CMB)中,而且已被WMAP和普朗克卫星探测所证实。CMB的发现最初被认为是大爆炸的标志性检验,但火论和轮回论的提倡者已显示出,CMB也符合火论和轮回论所设想的大回弹。

然而,火劫模式预测更大得多的贡献来自引力波,这应该对CMBR产生影响,导致温度变化的差异,特别是辐射极化差异——引力波应产生B模态那样的特征性扭曲斑图。探测CMB(它产生了极化光波斑图,以B模态著名)内的原始引力波,可能最终帮助科学家们在竞争性理论之间作出判别。普朗克卫星有望将足够灵敏探测这种斑图,进而在两种模式之间做出判决(当然,结果可能也不符合这两种模式)。


理论评价

泡尔J.斯坦哈特和内尔•图若克作为理论物理学家,以轮回宇宙模式闻名世界。1980年代早期,阿兰古斯(Alan Guth)介绍了膨胀理论,而斯坦哈特迅速开始研究膨胀的粒子物理特征。图若克在1983年完成了他的博士论文,并开始研究粒子物理的宇宙学特征。随着时间流逝,他们二人开始感觉到膨胀未必是宇宙的全部故事——膨胀论看起来需要太多的特设。自从提出膨胀论以来,粒子物理学世界继续前进,弦论及其隐卷维和膜一起来到物理前缘。这些新思想可能有助于解决膨胀问题。

这两位世界闻名的科学家呈现了一个大胆的宇宙新图景,“从大爆炸理论的雷霆中悄悄溜走。”他们在新书《无终结的宇宙》中,对大爆炸模型长期存在的问题提供了解答,同时关于宇宙的过去和未来提出一种挑衅性的新观念。这是一种“可解决宇宙之谜的理论”(美国《当代》)。

大爆炸理论——被广泛认为是关于宇宙起源的主导性解释——假设在约140亿年前的一个近乎无限密度的炽热膨胀火球中,空间时间突然生成存在。过去三十年间,理论已反复被修正,以探究这种问题:星系和恒星最初如何形成?为何宇宙膨胀至今还在加速?而且,解释还发现当初什么原因导致大爆炸。斯坦哈特和图若克主张“我们认为的创世时刻只是我们宇宙与并行世界之间的无限轮回的巨大碰撞之一部分”(《发现》)。        

牛津大学数学物理劳斯博尔教授罗杰彭罗斯(Roger Penrose)评论道:“也许你不相信弦论,或额外空间维,或D膜,或者宇宙的加速膨胀可能在某日要逆转。但是,我催促你暂搁置这种思想,来阅读泡斯坦哈特和图若克的宇宙轮回模式这种戏剧性的、很可读的总结。它可能比你所想的更接近真理!

相对于传统的线性宇宙时观念,“火劫轮回宇宙模式”显得惊世骇俗,与彭罗斯的“共形轮回宇宙模式”有异曲同工之妙,二者都是佛教轮回思想在现代物理学中的遥远回响。它是“大爆炸膨胀宇宙模式”的挑战者,不仅可兼容后者,而且可解决后者难以解决的问题。从自然哲学美感上审视,我更喜欢火劫轮回宇宙模式,正如我喜欢远观波浪滔天的大海,而不喜欢追逐转瞬即逝的飞沫。无论是大爆炸什么结局(大撕裂、大冻裂、大坍缩),都一直在追逐一个量子宇宙泡影而已,而非追求永恒实在的太一!

若要指出当前轮回火劫宇宙模式的问题所在,我想应该在于它还没有完全剃掉有些多余的“胡须”,如与多宇宙关联的并行宇宙概念,为何需要两张膜而不是一张有限无边、自在自为的宇宙膜?(如何用一张元膜的自相互作用来代替双膜作用,或者如何元膜如何演化为双膜,这也是值得考虑的革新点)如何刻画宇宙大回弹的物理细节,并与粒子物理的标准模型和标准宇宙学模型完全衔接起来?(我想这是消除该模式的唯象论特征的关键所在)如何预测宇宙演化的后半段?如何解决宇宙疑难之一宇宙熵演化问题?如何结合最新的宇宙探测结果(如CMB温度涨落、CMB极化各向异性、次级CMB各向异性、CMB各向异性流等)来检验轮回火劫宇宙模式的合理性?如何融合暗质能宇宙学探测研究成果?

另外,宇宙轮回未必是规则间期的,而可能是更复杂的时间序列,但这已几乎进入玄学范围。不管怎样,时间的轮回,实际上意味着时间的消亡,回归永恒的宇宙真空本体!宇宙也许是基于有限无边的、正反真空连通一体的、自洽自足自镜像的超流宇宙模式,这就是我曾所谓的“太极宇宙模式”。

   最后部分摘取比尔罗宾森(BillRobinson)的物理诗《轮回宇宙》(Cyclocosmos2004年发表于《天体物理学》期刊上),作为结尾,可引起读者思考:

   ......

这样结束这首长诗,希望你不要厌倦

或迷惑不解,但我不在乎你打鼻鼾

客体无穷尽,超越心灵极限

我们敢否窥探?那将有什么发现?

感性和逻辑的世界撒了谎言

但这就是我们的所有,所以物理学家在试干!




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3 武夷山 李颖业 yangb919

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