暴胀宇宙是科学理论吗？现是或不是了？

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【博科园-科学科普】世界是由量子涨落所创造构成的，至少这是宇宙学家目前最流行的解释。根据理论我们存在的历史是在数十亿年前开始的，这是一个不存在的领域，它将宇宙推进了称为“膨胀”的快速扩张阶段。当膨胀结束时能量场就会衰变，能量被转化为辐射和粒子，而这些辐射和粒子在今天依然存在。

图注：

我们今天看到不断膨胀的宇宙，充满了星系和复杂的结构，形成于一个更小、更热、更密集、更均匀的状态——奇点。图片版权：C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

35年前保罗斯坦哈特(Paul Steinhardt)提出了膨胀的理论。但Steinhardt已经成为该理论最狂热的批评者之一。在《科学美国人》(Scientific American)最近的一篇文章中，斯坦哈特与安娜·伊贾斯(Anna Ijjas)和阿维·勒布(Avi Loeb)一起与大多数宇宙学家一样声称是不批判的信徒：
宇宙学家们没有对大爆炸理论采取冷酷、诚实的态度，也没有对那些质疑膨胀是否发生的批评者给予极大的关注，更确切地说宇宙学家们似乎接受了“我们必须相信通胀理论”的观点，因为它提供了对宇宙观测特征的唯一简单解释。

图注：

宇宙膨胀过程中空间的量子涨落，在宇宙膨胀过程中延展，导致了宇宙微波背景下的密度波动，而宇宙微波背景下的量子涨落，最终导致了宇宙中的恒星、星系和其他大规模结构。图片版权：E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research

更糟糕的是他们认为宇宙膨胀甚至不是一个科学理论：
正如目前所理解的那样，nflUNK宇宙学无法用科学方法来评估，作为膨胀的替代理论，斯坦哈特等人推动了“大反弹”理论，在这种情况下宇宙目前的扩张先于收缩阶段，从而对通胀产生类似的好处。
该组织与宇宙暴涨的斗争也不是新闻了，在过去的几年里在一系列的论文中提出了他们的观点。但最近的Sciam文章给了宇宙膨胀理论捍卫者舞台，在大卫·凯瑟(David Kaiser)的带领下签署了一封给《科学美国人》(Scientific American)的信中抱怨该杂志给了宇宙暴涨理论的批评空间。
这封信的署名列表是一个奇怪的研究人员，即自己研究膨胀理论以及那些与膨胀理论研究无关的物理名人。有趣的是第一个推出暴胀预测的Slava Mukhanov并没有签署，这并不是因为他没有被要求。两个月前在斯蒂芬·史蒂芬霍金(Stephen Hawking)的生日会议上发表的一场充满活力的演讲中，Mukhanov明确表示，他认为大多数的暴胀模型建设只是在浪费时间。
斯坦哈特等人的文章并不是科学写作的杰作，不幸的是使用SciAm来推广其他关于宇宙如何开始的理论，而不是坚持他们对膨胀的批评，但一些批评也姗姗来迟。

图注：

各种各样的膨胀模型和预测的标量(x轴)和张量(y轴)的波动与膨胀。要注意的是只有一小部分可行的暴涨模型导致了对这些参数的各种可能的预测。

暴胀问题本身并不是一个概念，而是无用的暴胀模型的过度生产。从字面上看这些模型有数百种，而正如哲学家所说——严重低估了。这意味着如果将符合当前数据的模型推断出仍未经过测试的机制结果就不明确了。不同的模型导致了非常不同的预测而不是观察。因此对暴胀的细节进行扭曲是完全没有意义的，因为实际上有无限多的模型可以思考，从而产生无穷多个不同的“预测”。
然而Steinhard等人在Sciam文章中把焦点放在了暴胀未能解决它所要解决的问题上而不是解决生产过剩问题。这一批评是偏离目标的，因为膨胀所要解决的问题并不是一开始就存在的问题。

图注：

如果对称恢复大统一被破坏就会产生大量磁单极。但我们的宇宙并没有展示它们（磁单极），如果宇宙膨胀发生在这种对称性被打破之后，大多数单极子仍然存在于可观测的宇宙中。图片版权：E. Siegel / Beyond The Galaxy

1、磁单极问题
古斯发明了膨胀来解决“单极问题”，如果早期的宇宙经历了相变，例如因为统一的对称性被打破——那么拓扑缺陷就像磁单极应该是大量产生的。然而我们并没有看到或发行其中的任何一个。宇宙膨胀稀释了单极子的密度问题，所以我们也就不可能遇到一个。
但没有看到任何单极子的合理解释，不知道宇宙早期有什么大的对称性，或者说如果有也并不知道它是什么时候破裂的，或者是断裂产生了什么缺陷。事实上所有寻找大对称性证据的人主要是通过质子衰变——结果都是否定的。这一动机之所以有趣，仅仅是因为历史原因。

图注：

在膨胀过程中发生的量子涨落确实在宇宙中伸展，但膨胀的更大的特征是宇宙膨胀的平面，消除了先前存在的曲率。图片版权：E. Siegel / Beyond the Galaxy

2、平面度的问题
平坦的问题也是一个很好的问题，宇宙现在看起来几乎是平的，或者如果它有任何空间曲率，那么曲率一定很小。曲率对宇宙动力学的贡献，然而与物质的相关性却增加了。这意味着如果今天的曲率很小，那么它在过去一定会更小。膨胀使任何初始曲率的贡献变小了大约100个数量级左右。
这应该是一个解释，但没有解释任何东西，因为现在你可以问为什么原始曲率不大于其他数？一些物理学家相信这里正在解释的原因是根据目前美的标准，接近1的数字很漂亮，而小于1的数字则不是。因此平坦问题是一个美学问题，我不认为这是任何科学家应该认真对待的论点。

图注：

宇宙似乎在任何地方都是相同的温度，即使是在无关联的天空区域，这被通俗地称为视界问题。

3、地平线问题
宇宙微波背景(CMB)几乎完全相同的温度。问题是如果追溯背景辐射的起源，而不考虑宇宙膨胀，那么就会发现从不同方向到达我们的辐射从来没有发生过因果联系，为什么它在各个方向上都有相同的温度？
要明白为什么这个问题不是一个问题，你必须知道我们目前在物理工作中使用的理论。我们有一个等式即一个“微分方程”告诉我们一个系统(例如宇宙)如何从一个地方变化到另一个地方，再到另一个地方。然而要想利用这个等式还需要起始值或“初始条件”
视界问题问“为什么宇宙的初始条件”，如果初始条件复杂则需要大量信息，那么这个问题是合理的，但是均匀的温度并不复杂，这是戏剧性的容易，不仅没有太多的解释，宇宙膨胀甚至没有回答“为什么有这个初始条件”，因为它仍然需要一个初始条件。这只是一个不同的初始条件，并没有任何简单方式，也没有解释任何东西。
另一种方法可以看出这是一个没有问题的问题：如果回到足够远的时间，宇宙没有膨胀，最终会到达一个时期，物质如此致密，曲率如此之高以至于量子引力很重要（裸奇点）。我们对量子引力理论中初始条件的可能性有什么了解？然而没有，至少目前没有！
然而我们需要量子引力来解释宇宙的初始条件，这是一个非常不受欢迎的观点，因为没有任何东西可以计算，也不能做出预测。另一方面宇宙膨胀是一种非常高效的模型，它可以让宇宙学家大量炮制论文。

图注：

CMB波动的功率谱最适合于单一独特的曲线，这条曲线在形状和大小上都是独一无二的，从宇宙的内容和暴胀预测所提供的初始条件。

在课堂上，教科书和流行的科学页面上到处都是，但这些问题不是问题，从来都不是问题，也从不需要解决方案。尽管在构思过程中暴胀是没有动力的，但后来证明它确实解决了一些实际问题。有时候物理学家们为了正确的原因，在错误的事情上工作，有时他们在正确的事情上工作是出于错误的原因。暴胀是后者的一个例子。
今天许多物理学家认为暴胀一定发生的原因并不是说它解决了上述三个问题。这是因为CMB的一些特征有相关性(“TE功率谱”)，这取决于波动的大小并暗示着对宇宙大小的原因。因此仅仅选择初始条件就不能很容易地解释这种相关性，因为它是返回到不同时间的数据。它真的告诉我们宇宙是如何随着时间而改变的，而不仅仅是它从哪里开始
另外两个令人信服的暴胀特征是在相当普遍的情况下，模型还解释了CMB(“非高斯”)中存在某些相关性的缺失以及有多少CMB的波动大小，被称为“比例因子”(scale factor)量化。
但问题来了，要预测暴胀人们不能只说“曾经有指数扩张，它以某种方式结束了，为了能够计算出一些东西，需要一个数学模型，目前的暴胀模型引入了一个新领域——“膨胀”，并给了这个领域一个潜在的能量。势能取决于各种参数，这些参数可以与观测有关。

图注：

可能描述宇宙膨胀的三种可能的“低谷”潜力。尽管对宇宙的各种参数给出了一些不同的结果，但没有动机选择一个模型而不是另一个模型（图像为用谷歌的图形工具创建）。

这种情况的科学方法是选择一个模型，确定最适合观察的参数，随着新数据的出现然后根据需要修改模型。但这并不是宇宙学家目前所做的。相反已经产生了许多不同的模型，现在可以“预测”在可预见的未来可以测量的任何东西。
正是这种大量无用的模型引发了对膨胀不是科学理论的批评。在这个问题上批评是合理的，这不是很好的科学实践。坦率地说这是一种司空见惯的做法，因为它导致了大量论文的产生，而不是因为它促进了科学。
因此很失望地看到斯坦哈特、伊雅斯和勒布的批评很快被一个已经太过安逸的社会所否定。宇宙膨胀是有用的，因为它将现有的观察与潜在的数学模型联系起来。但我们还没有足够的数据来做出可靠的预测，甚至没有足够的数据来令人信服地排除其他选择。
暴胀理论没有诺贝尔奖，诺贝尔委员会在这个决定上或许做得很好。当跨越科学和blabla - land的边界时没有任何警告信号。但在很久以前宇宙膨胀模型留下了合理的科学推测。

作者：Sabine Hossenfelder（理论物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园

漫随

需要费劲长篇大论吗？真是笨!普朗克巡天图明白无误地告诉我们，宇宙是以涡旋运动方式膨胀的，最快的膨胀速度不超过光速的三分之一!