保罗·斯泰恩哈特和加拿大安大略省滑铁卢市圆周理论物理研究所的主任尼尔·图洛克在合著的《无限宇宙:大爆炸之后》中这样写道:“无论是时间还是宇宙都没有开始或者结束。宇宙进化过程是循环往复的,‘大爆炸’每一万亿年发生一次,每一次都伴随着新物质和新辐射的产生,并形成新的星系、恒星、行星以及生命。我们不过是最近一次循环的组成部分。”
1922年,苏联宇宙学家、数学家亚历山大·弗里德曼假设了宇宙在大尺度上均匀和各向同性,利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程。该方程可以有不同的解,一种情况是宇宙将永远膨胀下去,而另一种情况则可以是宇宙膨胀减慢到一定限度后出现胀缩交替。
尼尔·图洛克认为,正是弗里德曼最早提出了循环宇宙的概念。在这个设想中,一个有限的宇宙一遍又一遍地反复崩塌和反弹。可以说,现今的这个宇宙正是前一个宇宙崩塌后反弹形成的。而在循环宇宙模型中,不存在奇点。
中科院国家天文台研究院陈学雷告诉《中国科学报》记者,尽管循环理论的历史几乎和大爆炸理论一样长,但在大多数时间里它并没有得到认可。
依照早年循环模型的设定,宇宙的每次反弹都会产生更多的辐射,这意味着宇宙中的物质将增多。根据爱因斯坦的方程式,宇宙每次反弹后会变得越来越大,以至于每次循环的时间将会变长。但追溯过去却发现,每次反弹后的循环周期反而越来越短,一直缩短至零。这意味着宇宙仍然始于一个有限的过去。循环理论也无法自圆其说。
圈量子引力论与弦论的竞争
但到了21世纪,循环宇宙的理论却开始吸引了一部分物理学家的关注,它在相对论的基础上融入了量子力学理论。
量子力学与广义相对论是20世纪最具革命性的两大理论,但两者却互不兼容。广义相对论研究大尺度的物体,而量子力学则掌管着亚原子粒子的微观世界,一个具有定域性,而另一个则不具备。
美国宾夕法尼亚州立大学引力物理与几何研究所主任阿贝·阿西提卡和他的研究团队提出了一种被称为“圈量子引力论”(LQG)的理论,并通过量子场论尝试解释引力论的量子化过程,将广义相对论引入到了场论的道路上。阿西提卡发现,LQG理论可以解释今天的宇宙是由前一个宇宙的崩溃而催生,大爆炸在回圈量子引力论理论中是一种大反弹,并不是被看成一个奇点,这个过程是连续的。