一场关于宇宙起源的大辩论爆发

念小秋

我们先来看一张图：

上图简单的描述了整个宇宙的演化历史。我们今天所看到的星系和复杂的结构都起始于一个更小、更热、更致密以及更均匀的状态。就在宇宙诞生之后，它立即经历了一场指数式的膨胀。描述这一过程的理论被称为暴胀理论（Inflation theory），在提出来的几十年间一直是解释宇宙起源的主流科学理论。
然而，今年二月份，在《科学美国人》杂志发表的一篇文章打破了这个和谐的局面[1]。来自普林斯顿大学的物理学家 Anna Ijjas 和 Paul Steinhardt（暴胀理论的提出者之一），以及哈佛大学天文系主任 Abraham Loeb 认为，根据目前的天文观测结果显示，暴胀理论是无法令人满意。相反，他们认为宇宙是从上一个宇宙的坍缩中反弹而生的，即所谓的“大反弹”理论。当然，提出大反弹理论并不是引爆这次辩论的主因，该理论其实早在2001年的时候 Steinhardt 就提出了。
（注：对大反弹理论感兴趣的读者可以阅读Paul J. Steinhardt和Neil Turok合著的《无尽的宇宙：超越大爆炸》或者同主题的线上课程[6]）
然而，他们在文章中写道：“……按照我们目前的理解，暴胀宇宙学不能用科学方法来评估。” 换句话说，他们认为暴胀理论并不是一个科学理论，因为它没有做出任何的预言，所以无法被检验。
正是因为这句话，引发了众怒。
面对这篇文章的挑战，宇宙暴胀理论的提出者 Alan Guth 联合了 David Kaiser、Andrei Linde 和 Yasunori Nomura 立即撰写了反驳的文章[2]。他们指出了原始文章的多处问题，但尤其不能接受的是文章关于暴胀理论是没有经过检验的论调。他们写道：“国际上一些重大的工作已经清楚的表明，暴胀不仅是可以验证的，而且目前为止已经通过了所有重要的检验。”
同时，四位作者召集了当今最牛的理论物理学家和宇宙学家联合署名，并发表自己的观点。这些人包括 Stephen Hawking、Steven Weinberg、Frank Wilczek、Edward Witten、Martin Rees、Leonard Susskind、Lisa Randall等共33名全球顶级物理学家。如果这些人聚在一起，就好比是现代版的第五届索尔维会议。
面对如此强烈地回击，并没有让三位物理学家退缩。而是进一步深入分析，抨击了反驳的文章。他们认为反驳的文章忽略了他们的主要观点：曾经认为可行的暴胀理论和今天所理解的理论之间的区别[3]。
几天前，一篇主要的文章[4]和的物理学家Sean Carroll（联名反驳者之一）[5]发表了关于这次辩论的看法。Carroll表示，暴胀理论很可能只是最终答案的一部分，但毋庸置疑，它是科学的。
这场辩论自然不会很快的结束，而且面对挑战也会使理论更加的完善。这在科学史上经常发生。但我们接下来所要探讨的则是引发这次辩论的核心观点：“暴胀理论究竟是不是一个科学理论？”

△ 今年二月份，一篇题为《POP goes the universe》的文章引发了关于宇宙起源的辩论。（图片来源:Scientific American）
20世纪，其中一个最伟大的科学成就是发现了宇宙是在膨胀的：随着时间的流逝，遥远的星系会逐渐的远离我们，这是因为这些星系和我们之间的空间不断的在膨胀。到了20世纪中页，科学家提出了一个大胆的想法，如果宇宙今天变得越来越大、越来越冷，那么它的过去就处于更小、更热以及更加致密的状态：大爆炸。宇宙大爆炸模型做出了许多的预言跟当时的观测相符，特别是当科学家探测到微波背景辐射的时候，一举击败了竞争的理论。

△ 1990年代时，微波背景辐射的起伏首先由COBE卫星精确测量。2000年代时WMAP进行了更精确的测量。上图是由最新的普朗克卫星所测量的。图中包含了关于早期宇宙的大量信息。（图片来源：ESA）
但是，在大爆炸的框架下，有一些现象是完全无法解释的：

• 为什么宇宙各处的温度都一样？空间中不同的区域以及不同的方向应该没有足够的时间来交换信息，使各处温度相同。但事实是，宇宙各处都有相同的背景温度——2.73开尔文。
  
• 为什么宇宙是如此平坦？为什么膨胀率和物质/能量密度两个完全独立的量竟是相等的？
  
• 如果宇宙早期达到如此高的能量，为什么我们没有看到理论所预言的一些高能遗留物？比如今天的宇宙应该充斥着磁单极子，但是科学家没有发现任何磁单极子。
  

△ 在左图中，蓝色线代表宇宙的复合时期，也就是微波背景辐射的退耦的时间。可以看到在那个时候的任意两个相距遥远的点的过去光锥在 τ = 0（大爆炸）的时候并不重叠，这就意味着它们之间没有任何的因果接触，光所能到达的最远距离是在各自的小圆圈内（右图橙色小圈内），如果这两个橙色小圆圈重来没有重叠过，那为什么它们的温度会如此一致？这就是所谓的视界问题。（图片来源：D.Baumann）
上面的第一个问题被称为视界问题。如果宇宙的膨胀遵循着爱因斯坦的广义相对论的规则，那么如果空间中的两个区域的距离超过光速所能传播的，在没有彼此“接触”的情况下，它们是如何达到热平衡的？大爆炸理论完全无法回答这个问题。我们不可能说，“它生来如此”。从科学的角度来说，这是完全无法令人满意的。
但还有另一种可能。或许，在宇宙诞生后，它立即经历了一次指数式的膨胀。1979/1980年，Alan Guth提出了一个革命性的理论：宇宙暴胀。从此改变了我们对宇宙起源的理解。

△ 1979年，Alan Guth的笔记。（图片来源：SLAClab）
暴胀跟宇宙历史中其它时期的膨胀并不一样。当宇宙充满物质和辐射时，能量密度会随着膨胀减少。当体积膨胀时，密度下降，因此膨胀率会下降。但是在暴胀期间，宇宙充满了能量，这些能量是来自空间固有的。因此，随着宇宙膨胀，它制造了更多的空间，并保持密度不变，从而阻止膨胀率下降。这个想法同时解决了刚才提到的三个谜题：

• 今天的宇宙之所以到处温度一致是因为在遥远的过去，不同区域之间是相互“接触”的，直到暴胀将它们分开。
  
• 宇宙之所以平坦是因为暴胀将它迅速拉开，使之与平坦无法区分。这就好比我们站在窗前看到的地球是平的，而实际上它是弯曲的。我们无法观测的足够多来确定宇宙的真正曲率。
  
• 宇宙暴胀会使磁单极子互相远离，而当暴胀结束时，宇宙才再次变热，但温度再也达不到制造它们的高温。
  

△ 暴胀理论认为，在一个极短暂的时间内宇宙经历了一场指数式的膨胀，因此过去认为没有任何交流的两个点其实最初是有因果接触的。（图片来源：D.Baumann）
之后暴胀模型得到了其他人的进一步发展，包括Andrei Linde、Paul Steinhardt等等。科学家也提出了一些能够重建各向同性（所有方向都一样）和均匀（所有地方都一样）的宇宙模型，符合所有的观测。（值得注意的是，暴胀并不是单一的理论，它是一系列基于相似原理的模型。当然，没有人相信所有的模型都是正确的。）
但是，我们还需要记住，一个理论要成为成功的科学理论，它就必须能够做出可以被验证的新预言。没错，暴胀模型做出了六个重要的预言[7]：

• 宇宙应该具有完美的平坦性。暴胀模型预言了宇宙100%是“物质加上任何其它东西”，而曲率为0%。这个预言由ΛCDM模型证实，现在我们知道宇宙中5%是物质，27%是暗物质，以及68%是暗能量；但曲率依旧为0%。
  
• 宇宙的起伏的能谱几乎是尺度不变的。如果量子物理是对，那么宇宙即使在暴胀时期也会经历量子起伏。这些起伏也会被指数式的拉伸。当宇宙暴胀结束，这些起伏就会被转化为物质和辐射，导致了密度高和密度低的区域，才能使恒星和星系等成长。根据暴胀在最后的阶段是如何进行的，不同模型预言了起伏在要么更小的尺度或更大的尺度要稍微大一点。对于一个完美的尺度不变性，一个称为n_s的参数会等于1；而观测到的值为n_s = 0.96。
  
• 自大爆炸以来，在比光所传播的距离的更大尺度下也存在着起伏。这是暴胀的一个结果。科学家在微波背景辐射和宇宙中的大尺度结构中已经看到了这些起伏，进一步验证了暴胀模型。
  
• 这些量子起伏应该是绝热的。起伏可以有几种不同的类型：绝热的、等曲率的或者是两种混合的。暴胀预言了这些起伏是100%绝热的，这会在微波背景辐射和大尺度结构中留下独有的信号。
  
• 在遥远的过去，宇宙的最大的温度不是任意高的，而是有一个上限。从微波背景辐射中，我们可以推断出宇宙曾经达到的最高温度。如果没有暴胀，那么宇宙在早期的时候温度会达到任意高。但如果暴胀发生，它必须发生在能量尺度低于普朗克尺度（~10^19GeV）。从观测中我们发现，宇宙中的任何一点曾经达到的最高温度都不高于~10^16GeV的0.1%，进一步验证了暴胀模型。
  
• 最后，我们应该会看到具有特别能谱的原初引力波。原初引力波是宇宙诞生时产生的时空波动，它会在微波背景辐射中留下独特的信号，这是六个预言中唯一一个还没有被验证的。不同的模型也预言了不同大小的引力波。
  

△ 宇宙暴胀的最后一个预言是原初引力波（Gravitation wave）的存在，是唯一一个未被观测验证的预言。（图片来源：NASA/JPL）
因此，暴胀理论其实在过去获得了巨大的成功。自1980年代末开始，理论学家迸发出许多想法，发展了各种不同的暴胀模型。有一些模型非常奇怪，有着非一般的行为。但最简单的暴胀模型其实是基于一个势能（如下图曲线）。

△ 慢滚暴胀模型。φ是一个标量场，即暴胀子。在暴胀后，暴胀场φ会在势能V(φ)的底部振荡。为了避免暴胀结束后，宇宙中空无一物，暴胀子必须跟标准模型的场进行耦合。因此暴胀场的能量才能转换变成普通粒子。（图片来源：D.Baumann）
暴胀场从远离底部的一个点开始出发，慢慢的滚到底部，导致暴胀的发生，直到它停留在最低点。量子效应在该场中扮演着重要的角色。当暴胀最终停止时，暴胀场的能量就会转换为物质和辐射，致使大爆炸开始。
但是你也可以提出多场模型，快滚模型或设计一些远离平坦性的模型。换句话说，你可以使模型要多复杂就有多复杂，甚至违背上面的六个预言。在一些模型中，也预言了多重宇宙的存在。
这也是目前的争论所在！其中一方认为，由于我们可以设计具有任意行为的模型，因此暴胀理论无法成为标准的科学理论。另一方则认为暴胀已经做出这些成功的预言，只要对参数的测量越精确，就可以约束哪些模型是可行的，最终筛选出哪个或哪些模型最能够体现物理现实。
如果有谁提出一个替代暴胀的模型，那么它首先必须复制暴胀模型的所有成功。但目前没有任何替代模型可以做到。不过，这也不意味着暴胀模型一定是正确的，也没有人说它必须是正确的。事实上，还有许多的问题是暴胀理论亟需解决的。但可以肯定的是，在过去的几十年间，有许多证据支持暴胀理论，观测数据也已经排除了一些可能的模型。就目前而言，暴胀理论依旧是描述宇宙起源的主流科学理论。
我们也期待物理学家能在这一问题上有更多的探讨。
参考来源：
【1】https://www.scientificamerican.com/article/cosmic-inflation-theory-faces-challenges/
【2】https://blogs.scientificamerican.com/observations/a-cosmic-controversy/
【3】http://physics.princeton.edu/~cosmo/sciam/index.html#faq
【4】https://undark.org/2017/05/09/a-debate-over-cosmic-inflation-and-editing-at-scientific-american-gets-heated/
【5】 https://undark.org/2017/05/09/a-debate-over-cosmic-inflation-and-editing-at-scientific-american-gets-heated/
【6】http://www.worldscienceu.com/courses/master_class/master-class-paul-steinhardt
【7】https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/05/11/what-if-cosmic-inflation-is-wrong/#8e507928e507

宇宙天使

宇宙是从 上一个宇宙的坍缩中反弹而生的，即所 谓的“大反弹”理论。

思欣姐姐

太空充满了强大的静太空虚力，这些静太空虚力就象皮球内的空气压力每点都相等，在这些静太力中某-点产生奇变，就象地球的地振塌陷。宇审就是这奇变的结果。宇宙只能在它奇变的范围内运动，它不会向任何方向运动，便不会膨胀。对宇宙的观擦远运不够。

火星人

神学狗快来说宇宙是神创造的！

萝莉Small_Lo

宇宙学模型的建立从官科的角度应是官科人士的专利，但无奈这些掌握所谓最前沿天文学数据的物理学家们竞然理论相左。要不是有物理专业的帽子戴着，恐怕有些人要归入民科群了！帽子决定了官科与民科的分类。