宇宙循环，“永世”轮回？诺奖得主试图改写宇宙起源

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很少有科学家能像他这样，在关于宇宙的最重大问题上给出决定性的回答，泽被后世。

更少有科学家敢像他那样，以耄耋之龄孤身闯入无人行走的认知迷雾，大胆远眺‘宇宙大爆炸’之前的世界。

他就是英国数学家、物理学家罗杰·彭罗斯爵士。

2020年，他凭借上世纪60年代对‘黑洞可以在真实宇宙中自然产生’一锤定音的证明，分享诺贝尔物理学奖的一半奖金。

他的这一证明被学界誉为‘彭罗斯奇点定理’，也正是基于该成果，他与英国物理学家斯蒂芬·霍金一道，进一步证明宇宙发端的‘大爆炸’也来自一个奇点。

晚年的彭罗斯没有止步。2010年前后，他提出一个相当大胆的假说：鉴于宇宙的遥远未来与宇宙的大爆炸开端在数学上极其相似，也许宇宙并非只有一次大爆炸，而是在一个个从大爆炸到死亡的‘永世’（aeon）中反复循环。

他将这一无比宏大的假说命名为‘共形循环宇宙论’（ConformalCyclicCosmology，简称CCC）。讲他的故事，要从黑洞说起。

探究黑洞奥秘

从1783年开始，就有科学家根据牛顿力学提出，如果宇宙中有一种质量足够大而半径有限的天体，那么光线将无法从它表面逃离。

1915年，爱因斯坦的广义相对论横空出世，他告诉我们，物质如何让时空弯曲，而时空弯曲又如何影响物质的运动。这一理论，取代牛顿力学成为现代物理学理解时空本质的基础理论。

很快就有物理学家计算出，广义相对论同样预言，当一个大质量天体压缩到足够小的半径内，光将无法摆脱其引力。这在后来被称作‘黑洞’。

但包括爱因斯坦本人在内的一些物理学家，对这个说法存在质疑：他们认为这个假说的推算过程采用球对称假设，而受磁场、自转等影响，自然界中并不存在完美球对称的天体，因此黑洞在现实中无法形成。

而这一质疑，在爱因斯坦去世10年后，被彭罗斯彻底驳回了，他用独到的数学工具解答了黑洞形成的问题。彭罗斯引入了‘俘获面’的概念，他证明，一旦俘获面形成，一切进入俘获面的物质，不仅无法逃逸，而且必然终将被压缩到黑洞中心的一点——‘奇点’。1965年发表的‘彭罗斯奇点定理’，一锤定音地证明黑洞确实可以在真实宇宙中自然形成——这项成果，被视为爱因斯坦之后对广义相对论的最重要贡献，这也是他在2020年获得诺贝尔物理学奖的原因。

揭示宇宙起源

‘奇点’只是起点，奇点定理的发现又引发了他对宇宙起源的探索，而这也正出自他与毕生诤友、著名英国物理学家斯蒂芬·霍金的合作。

1922年美国天文学家埃德温·哈勃观测到‘红移现象’，发现不管你往哪个方向看，远处的星系都正在远离我们而去——宇宙看起来在膨胀。

反过来说，宇宙是从早期的极小尺度‘长大’为如今的模样——这被称作大爆炸宇宙论。1964年宇宙微波背景辐射的发现，让大爆炸宇宙论得到广泛接受。

丨大爆炸空间膨胀时间线，NASA/WMAP Science Team

但关于大爆炸发生的细节还有很多未知：与反对黑洞奇点的理由一样，有一些物理学家认为即使宇宙早期真的存在一个极高密度的时期，也并不代表宇宙可以从一个密度无穷大的奇点起源。1970年，霍金和彭罗斯一同将彭罗斯奇点定理延伸到宇宙学情形下，证明大爆炸必然产生于奇点，这就是‘霍金 - 彭罗斯奇点定理’，此后宇宙学标准模型的基石之一。

谱写宇宙轮回的不灭传说

当一个问题被验证，一个新的话题就会被提起——宇宙大爆炸前是什么？

这个问题在大爆炸宇宙学框架下的标准答案是：时空在大爆炸中产生，‘大爆炸之前’不存在。

但，彭罗斯不这样看。

2006年，75岁的彭罗斯提出一个大胆的想法：几乎无尽遥远的宇宙未来，从数学视角看来，和宇宙大爆炸之时完全一样——那么也许宇宙无尽遥远的未来，可以等效为下一次大爆炸？宇宙就是这样无限循环的？

彭罗斯将称其为‘共形循环宇宙论’，简称CCC。而宇宙从大爆炸创生到下一次大爆炸之间的‘生命周期’被称为一个‘永世’（aeon）。

他展望无尽遥远未来宇宙的模样：当宇宙中所有黑洞通过‘霍金辐射’[1]蒸发殆尽，当宇宙中的全部质量衰变为辐射，宇宙看起来和大爆炸之时几乎一模一样——而经过叫做‘共形变换’的数学变换，可以把无穷大的宇宙未来和无穷小的大爆炸奇点连接起来。这样宇宙就从一个‘永世’到下一个‘永世’，不断循环下去。

作为一个数学家，这是彭罗斯的拿手好戏。在早年研究黑洞的过程中，彭罗斯就使用了被誉为‘彭罗斯图’的分析图式——利用‘共形变换’，把无穷大的时空，绘制在有限大的纸面上；在变换前后，光线行进的角度不变。这为此后半个世纪中物理学同行们分析弯曲时空的因果关系提供了强大工具。

丨彭罗斯图，Penrose diagram wiki

无穷大的未来等效于无穷小的过去，这种说法引发了物理学界的争议，而彭罗斯对其中存在的一些问题尚且无法解释。比如：

1。这一‘永世’中宇宙的熵不断升高[2]，而下一个‘永世’开始时，宇宙处在低熵状态，如何衔接？

彭罗斯认为，在引力作用下，宇宙中的物质倾向于聚集、塌缩为黑洞。因此在宇宙尺度上，黑洞为包含最多熵的天体。但霍金最著名的理论‘霍金辐射’指出黑洞会逐渐蒸发，彭罗斯认为，黑洞蒸发的过程会‘重置’宇宙中熵的零点，当全部黑洞蒸发完毕，宇宙也会被重置为低熵状态。

2。只有当宇宙中全部质量都消失，才会出现彭罗斯想要的‘共形’。但质子、电子这样的基本粒子真的会衰变吗？

我们目前没有这样的证据，彭罗斯同样还不知道何种具体机制能让质量消失，暂时只能寄希望于‘极其遥远的未来’（~10100年）后，质量可以终于不复存在、蒸发为辐射。

3。任何科学理论都要具有可证伪性，怎样才能验证彭罗斯的假说呢？

彭罗斯和合作者在一份未经正式出版的论文中，指出前一个‘永世’中黑洞并合事件的引力波可以穿透两个‘永世’的边界，在这一个‘永世’的微波背景辐射（CMB）上塑造出同心圆环。简单的说，就是他们声称发现了上一世宇宙留下的印记。但CMB数据分析专家认为这并不存在。

丨彭罗斯及其合作者宣称在CMB上发现的同心圆环

虽然彭罗斯的宇宙共形循环理论被学界很多人认为‘模糊’、‘缺乏定量描述’，但从哲学、美学角度看来，确有致命的吸引力。正是宇宙深邃而神秘的魅力，吸引着一代代科学家大胆想象，反复论证，开创影响整个世界的新知。

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不是所有人都有勇气挑战既定的认知，向一片未经开拓的知识迷雾再次出发。他以90岁高龄捍卫宇宙循环理念，探究意识的本源；他不拘束于主流思想，在自己认定的道路上毅然前行。

注：

[1]霍金辐射：是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射，有了霍金辐射的理论就能说明如何降低黑洞的质量而导致黑洞蒸发的现象。

[2]熵增原理：在孤立系统中，体系与环境没有能量交换，体系总是自发地向混乱度增大的方向变化，总使整个系统的熵值增大。

作者

刘博洋

西澳大学射电天文博士

天文科普作家

诨号：“天文八卦学家”

本文转自腾讯科学WE大会