宇宙大爆炸学说，这个理论或许是错误的

伤我心太深

　　关于宇宙大爆炸学说的疑问

　　并不是所有的科学家都支持宇宙大爆炸学说，对于宇宙大爆炸的质疑可以从下面几个方面看出：

　　第一，宇宙大爆炸学说只是暂时占据上风：在宇宙学发展历史中，科学家们互相提出宇宙模型，最后基本形成两派，一派拥护宇宙大爆炸，一派是其他模型的拥护者。科学家们辩论、争吵，都试图说服对方。随着宇宙大爆炸模型的不断完善与观察证据的不断增加，使大爆炸理论获得压倒性的支持。人们为此不断修正和完善大爆炸理论以及获取更佳的观测结果，从而对一些问题找到了更合理的方法解释。但是宇宙大爆炸本身疑问重重，如果有新的宇宙模型比宇宙大爆炸更合理的解释问题，那么宇宙大爆炸模型就会成为历史，就像历史中的其他理论一样被淘汰。

　　第二，神秘的冷斑时空暗示宇宙学理论或重新修改：2013年3月，欧洲航天局的普朗克探测器绘制出有史以来最详细的宇宙微波背景辐射“地图”(CMB)。该图展示了宇宙最古老的光在宇宙只有38万岁的时候印在天空时的情景。

　　由于普朗克地图的精确性之高，它甚至展示了某些特殊的无法解释的新特征，可能需要新的物理学来对之进行解释。其中一个令人惊讶的发现便是天空相反半球的平均温度所呈现的不对称性。这与标准模型所做的预测背道而驰，后者称无论从任何方向观测宇宙大体上都是相似的。这些异常情况的解释之一便是：欧洲太空局认为如果从大规模范围观测宇宙，每个方向所看到的宇宙并非都是一样的。在这种情况下，宇宙微波背景辐射发出的光线可能会经过一个远比之前理解的更加复杂的路线，从而导致现在观测到某些罕见的特征。





　　结果显示冷点远比预想的要更大，它的存在挑战了宇宙对称性理论参考资料来源：《普朗克最新天文图片展示宇宙大爆炸后瞬间》凤凰科技，2013年03月28，图片来源：欧洲太空局，公版。

　　根据观测结果，科学家在微波背景辐射图中发现了宇宙神秘时空，其中就有一种被称为冷斑的区域，这种冷点也比预想的要更大。意大利菲拉拉大学的保罗·纳托利(Paolo Natoli)认为：普朗克监测到了这些异常现象已经消除了对后者存在的怀疑，它们不再被认为是测量导致的失误。它们真实存在，我们必须寻找可信的解释。普朗克探测器发现的神秘冷斑，之所以称为冷斑是因为该时空内温度极低，只有70K，而微波背景辐射图中其他时空平均温度为2.7K。



　　结果显示冷点远比预想的要更大，它的存在挑战了宇宙对称性理论参考资料来源：《神秘的冷斑时空暗示宇宙学理论或重新修改》腾讯科技，2013年7月29日，图片来源：由欧洲太空局，公版。

　　Kavli基金会对此举行了一次会议，研究团队对宇宙论的主要问题进行讨论，其中一个重要的问题是新的发现是否需要对宇宙诞生理论进行修改，或者从根本上改变当前的宇宙论。剑桥大学乔治·艾夫斯塔休认为根据暴涨理论，今天宇宙的演化结果应该在所有方向上显示出统一性，这种均匀出现的波动也应该在宇宙微波背景辐射图中体现，但是来自普朗克探测器的调查结果显示，宇宙明显存在异常时空，比如大型冷斑的存在。这说明宇宙诞生过程并不如我们所预计的那样。乔治·艾夫斯塔休一直参与普朗克探测器任务，他认为冷斑的发现使得宇宙学理论面临危机，这与暴涨理论不太符合。剑桥大学教授安东尼·拉塞卜认为暴涨理论可能使用范围有限，将来或发展出替代性的模拟来解释冷斑的存在。喷气推进实验室研究人员克日什托夫·哥尔斯基认为我们可以对普朗克的发现进行进一步分析，这些结果可能预示着宇宙学另一扇大门被打开，宇宙结构理论或面临重新调整。

　　第三，大爆炸的核心证明，只是宇宙中的奇特现象：大爆炸的核心观点包括度规膨胀、早期高温态、氦元素形成、星系形成等。这些都是从独立于任何宇宙学模型的实际观测推论出的，目前人们在实验室里无法观察到，也没有被纳入粒子模型中。衡量宇宙大爆炸的几大因素包括轻元素的丰度、宇宙微波背景辐射、红移现象、大尺度结构、Ia型超新星的哈勃图等。而大爆炸理论发展至今，它的正确性和精确性有赖于很多奇特的物理现象，它们本身存在很多的疑问，科学家们在积极探索新的宇宙大爆炸模型，试图更好解释宇宙。

　　在这些现象中，暗物质理论仍然存在很多的细节和疑点，诸如星系晕尖点问题和冷暗物质的矮星系问题。至今仍然还不能直接对暗能量进行观测。另一方面，大爆炸模型中的两个重要概念：暴胀和重子数产生，在某种意义上仍然被认为是具有猜测性质。它们虽然能够解释早期宇宙的重要性质，却可以被其他解释所替代而不影响大爆炸理论本身。

　　第四，宇宙事件逃离视界的问题：视界问题来源于任何信息的传递速度不可能超过光速的前提。对于一个存在有限时间的宇宙而言，这个前提决定了两个具有因果联系的时空区域之间的间隔具有一个上界，这个上界被称作粒子视界。

　　从这个意义上看，所观测到的微波背景辐射的各向同性与这个推论存在矛盾。如果早期宇宙直到“最终的散射”时期之前一直都被物质或辐射主导，那时的粒子视界将只对应着天空中大约2度的范围，从而无法解释为何在一个如此广的范围内都具有相同的辐射温度以及如此相似的物理性质。对于这一看似矛盾之处，暴涨理论给出了解决方案，它指出在宇宙诞生极早期(早于重子数产生)的一段时间内，宇宙被均匀且各向同性的能量标量场主导着。在暴涨过程中，宇宙空间发生了指数超光速膨胀，而粒子视界的膨胀速度要远比原先预想的要快，从而导致现在处于可观测宇宙两端的区域完全处于彼此的粒子视界中。从而，现今观测到的微波背景辐射在大尺度上的各向同性是由于在暴涨发生之前，这些区域彼此是相互接触而具有因果联系的。

　　根据海森堡的不确定性原理，在暴涨时期宇宙中存着微小的量子涨落，随着暴涨，这些涨落被放大到宇观尺度，这就成为当今宇宙中所有结构的种子。暴涨理论预言这些原初涨落基本上具有尺度不变性、并满足高斯分布，这已经通过测量微波背景辐射得到了精确的证实。如果暴涨的确发生过，宇宙空间中的大片区域将因指数膨胀而完全处于我们可观测的视界范围以外。

　　第五，平坦性问题：平坦性问题是一个与弗里德曼、勒梅特、罗伯逊、沃尔克度规相关的观测问题。取决于宇宙的总能量密度是否大于、小于或等于临界密度，宇宙的空间曲率可以是正的、负的或为零。当宇宙的能量密度等于临界密度时，宇宙空间被认为是平坦的。然而问题在于，任何一个偏离临界密度的微小扰动都会随着时间逐渐放大，但至今观测到的宇宙仍然是非常平坦的。如果假设空间曲率偏离平坦所经的时间尺度为普朗克时间即10-43秒，经过几十亿年的演化宇宙将会进入热寂或大挤压状态，这一矛盾从而需要一个解释。事实上，即使是在太初核合成时期，宇宙的能量密度也必须在偏离临界密度不超过10-14倍的范围内，否则将不会形成像我们今天观测到的这样。

　　暴涨理论对此给出的解释为：暴涨时期空间膨胀的速度如此之快，以至于能够将产生的任何微小曲率都抹平。现在普遍认为：暴涨导致了现今宇宙空间的高度平坦性，并且其能量密度非常接近临界密度值。

　　第六，磁单极子问题：大统一理论预言了空间中的拓扑缺陷将表现为磁单极子，这种缺陷在早期高温宇宙中应当大量产生，从而导致现今磁单极子的密度应当远大于所能观测到的结果。至今为止，人们从未观测到任何磁单极子。解决这一矛盾的理论仍然是暴涨，与抹平空间中的曲率相类似，空间呈指数暴涨也消除了所有拓扑缺陷。


　　第七，重子不对称性：宇宙中的物质为什么要比反物质多，大爆炸理论认为高温的早期宇宙处在统计平衡态，具有同样数量的重子和反重子。然而观测表明，即使是在非常遥远的地方，宇宙仍然几乎由物质构成。产生这种不对称性的未知过程称作重子数产生，而重子数产生的条件是所谓Sakharov条件必须满足。这些条件包括存在一种过程破坏重子数守恒、电荷共轭不变性和电荷共轭-空间反演不变性必须被破坏、宇宙偏离热平衡态。这三个条件在标准模型的框架内都可得到满足，然而标准模型所预言的此种效应在数量上太小，不足以完全解释重子不对称性的由来。

　　第八，球状星团年龄：人们进行了和球状星团的星族观测相符的计算机模拟，其结果显示这些球状星团的年龄竟然高达150亿年，这与大爆炸理论所预言的宇宙的年龄为137亿年严重不符。九十年代后期，更完善的计算机模拟考虑了恒星风引起的质量损失效应，这一矛盾也基本得到了解决：但是很显然，宇宙学原理不得不用大量的补充性说明解释问题，使宇宙大爆炸学说变得更加复杂。


　　第九，暗物质与暗能量：至今还没有在实验室中发现构成暗物质的粒子。但有多种观测都显示了它的存在，包括微波背景辐射的各向异性、星系团的速度弥散、大尺度结构的分布、对引力透镜的研究、对星系团的X射线观测等。若假设宇宙中的大多数物质都是普通重子物质，所得出的一些预言也和观测结果强烈矛盾。例如，如果不假设暗物质的存在，将难以解释为何宇宙中氘的实际含量要比理论上预计的低很多。物质含量不足以解释所观测到的星系内部以及星系之间彼此产生的引力强度。

　　对Ia型超新星红移-星等之间关系的测量，揭示了宇宙自从现有年龄的一半时，它的膨胀开始加速。如要解释这种加速膨胀，广义相对论要求宇宙中的大部分能量都具有一个能够提供负压的因子，即所谓“暗能量”。有其他证据表明暗能量确实存在：对微波背景辐射的测量显示宇宙空间是近乎平直的，从而宇宙的能量密度需要非常接近临界密度;然而通过引力汇聚对宇宙质量密度的测量表明，宇宙的能量密度只有临界密度的30%左右。由于暗能量并不像普通质量那样发生正常的引力汇聚，它是对那部分“丢失”能量密度的最好解释。此外有两种对宇宙总曲率的几何测量结果也要求了暗能量的存在：一种借助了引力透镜的频率，另一种则是利用大尺度结构的特征图样作为量天尺。负压是真空能量的一种性质，但暗能量的本性到底是什么仍然是大爆炸理论的最大谜团之一。

　　目前提出的用于解释暗能量的候选者包括宇宙学常数和第五元素。2008年WMAP团队给出了结合宇宙微波背景辐射和其他观测数据的结果，显示当今的宇宙含有72%的暗能量、23%的暗物质、4.6%的常规物质和少于1%的中微子。其中常规物质的能量密度随着宇宙的膨胀逐渐减少，而暗能量的能量密度却(几乎)保持不变。从而宇宙过去含有的常规物质比例比现在要高，而在未来暗能量的比例则会进一步升高。

　　在大爆炸理论的最佳模型中，暗能量被解释为广义相对论中的宇宙学常数。然而，基于广义相对论并能够合理解释暗能量的宇宙学常数值，即使与基于量子引力观点的不成熟估算值比起来仍然令人惊讶地小。在宇宙学常数以及其他解释暗能量的替代理论之间做出比较和选择是当前大爆炸研究领域中活跃的课题之一。