——彭罗斯的宇宙轮回（9）

   第五朵雪花终于绽开了，在开始的地方结束，也从结束的地方开始。循环是自我圆满的捷径，但不知道是不是自然的选择？

当现代宇宙学选择大爆炸出生时，大概就不准备回到古老的循环了。标准的大爆炸-暴胀模型不说大爆炸“之前”，也不好意思提那样的问题。借古老的奥古斯丁的话说，上帝为那些爱打听“以前”的人准备了地狱。可现代宇宙学似乎就是从循环的宇宙模型开始的。1922年，Friedmann提出的第一个宇宙学模型就是闭合循环的。Lemaitrei很欢喜那样的场方程解：“宇宙连续地膨胀和收缩，那样的解有着不容置疑的如诗的魅力，令人想起传说中的凤凰。”可见循环是我们直觉的宇宙学图景。然而，“循环”对科学来说却不大好，有人说它是为了避免上帝的“创世纪”（genesis），Eddington干脆说他没有“凤凰崇拜”。但一直有“一小撮”科学家在研究它，当然不是为了宗教，而是为了避免奇点。

Friedmann的“循环”是从膨胀到收缩的循环，时间方向随收缩而倒转（将它作为熵规定的方向），这意味着初始奇点与终结奇点是一样的。30年代，加州理工学院的Tolman第一个提出了第二定律的协变形式及其宇宙学意义。他的循环宇宙是一个无限不可逆的膨胀-收缩序列，其中每个“世代”的熵都比前一个的大。可他对第二定律的作用也不是十分肯定——在著名的《相对论、热力学和宇宙学》中，他只是弱弱地指出：“至少我们似乎不必再武断地认为第二定律一定要求一个在有限时间生成和消亡的宇宙。”就是说，宇宙无须达到经典热力学所谓的“热寂”。不过有趣而遗憾的是，如果倒推他的那个熵增序列，最终还会回到零点，于是他的循环没能摆脱初始条件的问题。实际上，Tolman后来似乎也不大宣扬循环宇宙。

更近的循环宇宙是真正的“火凤凰”。在大约10年多前，普林斯顿的Paul Steinhardt等人根据膜理论的“火宇宙”（Ekpyortic）图像提出，宇宙经历无限多个膨胀-收缩的循环，每个循环从大爆炸开始。彭老师也提到了这个模型（3.3节），而且它与CCC的思路有相通的地方。它的基本点是：

l       大爆炸不是时间的开始，而是向更早的演化相的过渡；

l       宇宙的演化是循环的；

l       宇宙大尺度结构的形成发生在大爆炸前的某个缓慢的收缩相，而不是大爆炸后的暴胀期。

这个宇宙建立在多维时空图景（膜世界）的基础上（尽管可以用四维的语言来描述）。它的膨胀与挤压是两个膜通过第5维相互作用的结果。两个膜发生碰撞，然后相互穿过（也可以说相互离开，因为没有膜外的世界）。那个碰撞，在膜上的人看来（我们当然在一个膜上），就是大爆炸。然后，同样通过第5维，两个膜又靠近（那个第5维仿佛一根可以随意拉伸和压缩的弹簧），于是重演先前的过程。

膜宇宙也考虑了熵的问题，仍然是通过第5维的作用：一个循环的熵随膨胀而“稀释”，密度趋于零。但在收缩期里，熵密度不再增大（因为收缩只发生在额外维）。从一个膜上的局域观测者看来，熵密度也在循环，但膜的总熵是增大的。（Paul几年前也写了一本循环宇宙的书，叫《无尽的宇宙：超越大爆炸，重写宇宙史》（Endless Universe: beyond the big bang – rewriting the cosmic history, Broadway, 2008。）

比“火凤凰”更“疯狂”的循环宇宙，大概是物质与反物质轮流“坐庄”的宇宙。最近有人提出，我们处于物质的宇宙是因为我们的“前世”是反物质的。在两个“世代”的界面，不断演绎着物质-反物质的生成和湮灭。

循环宇宙模型还有很多，以后可能还会有。它们为物理学带来了有趣而浪漫的图景，也能激发有趣而根本的新问题。抛开具体的问题不说，就有两个很根本的（多少有些形而上的味道）问题：第一，物理学方程允许宇宙循环，这本身是不是一个问题呢？第二，“无限循环”是不是真正的物理问题？如果不是，那么这些模型是用一个非物理问题来“抹平”物理问题；如果是，那么这样的“无限”岂非又堕入了新的奇点？