宇宙，是一个没有终点的循环？

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文章来源： 环球科学ScientificAmerican（ID：huanqiukexue）

作者：吴非

138亿年前，大爆炸拉开了宇宙演化的序幕。但这就是时间的开端吗？在大爆炸之前、在现在的宇宙终结之后，还有另一个宇宙存在吗？在一篇最近发表在预印本网站arxiv的论文中，著名理论物理学家罗杰·彭罗斯提出，宇宙微波背景辐射图像中的一类图案，是比大爆炸更为古老的黑洞的遗迹。如果得到证实，这将成为循环宇宙说的有力证据。

“原初引力波”乌龙

彭罗斯的最新研究，要从2014年的一起乌龙事件说起。

冰封的南极大陆人迹罕至，成为备受物理学家青睐的天文观测场所。南极干燥的空气、极高的空气透明度，使得从这里接收到的宇宙微波背景辐射（CMB）信号比地球上任何其他地点都清晰。哈佛-史密森尼天体物理中心的第二代BICEP南极望远镜，就建在地理南极点附近。

BICEP2南极望远镜（图片来源：哈佛大学）

2014年3月，BICEP2团队宣布了一项在当时震动了整个科学界的发现：他们在CMB图像中找到了原初引力波留下的印迹。

在CMB图像中，研究团队观察到如下图所示的，或沿顺时针，或沿逆时针扭曲的偏振信号，此类信号被称作“B模式偏振信号”。要产生偏振，一定是宇宙中的光子受到某类波动干扰。此前科学家已经证实了，在宇宙尺度上，这类信号只可能来自一种情况：宇宙暴胀时的原初引力波。也就是说，如果B模式偏振信号被证实，那么我们将首次为暴胀假说找到直接证据。

原初引力波的发现意义非凡，不过好景不长，仅仅两个月后，就有宇宙学家对BICEP2团队的结论提出质疑，认为研究中的方法出现了错误，他们得到的所谓“B模式偏振信号”，可能只是受银河系尘埃干扰而产生的噪音信号。

随着普朗克卫星的数据不断传回，在发表最初结论半年后，BICEP2团队在论文中承认，其信号“很可能来自星际尘埃”。至此，这项曾轰动一时的“重磅发现”逐渐归于沉寂。

不过，并非所有物理学家都认同这一解释，彭罗斯就基于BICEP2团队的研究，提出了不同的观点。

循环的宇宙？

现年87岁的彭罗斯是当代最近影响力的理论物理学家之一。除了与史蒂芬霍金共同证明奇点存在的条件，并提出了著名的宇宙监督假说，他还贡献了一些看似脑洞大开、极富争议的想法。共形宇宙循环学说（CCC）就是其中之一。

罗杰·彭罗斯（图片来源：wikimedia）

2004年，彭罗斯与其他几位理论物理学家共同提出了这一学说。随后，这一观点随着彭罗斯在2010年出版的著作《时间轮回：宇宙的新观点》（Cycles of Time: AnExtraordinary New View of the Universe）开始为人所熟知。传统的宇宙学理论认为大爆炸是宇宙的开端，而在此之前，所有的物质都集中在一个奇点，“时间”这一概念也不存在。与此相对的，是一批认为时间没有开端的理论：在大爆炸之前，就有另一个宇宙存在。前一个宇宙在经历一场坍缩后，密度达到最大点，进而触发138亿年前的大爆炸。

彭罗斯的共形宇宙循环学说更进一步。在他看来，遥远的过去和未来实际上是宇宙循环中的同一个阶段。当一个宇宙逐步收缩、走向终结，时间会重新拨回原点，开启新一轮的大爆炸、膨胀与收缩。

然而，怎样才能找出支持CCC假说的证据？我们无法触及大爆炸之前的上一轮宇宙，但如果它真的存在，或许在行将结束之际，某些天文现象能在新一轮宇宙中留下独特的印记。

可疑的环状图案

在BICEP2团队得到的CMB图像中，彭罗斯和同事就找到了他们想要的证据。在文章开头提到的那些乌龙“B模式偏振信号”中，他们注意到一些异常的环：这些环的内外存在巨大的温差。是什么样的过程导致了这一现象？要在宇宙形成初期找到这样的过程几乎不可能，对此，彭罗斯给出了他的解释：在上一轮宇宙收缩的过程中，一个超大质量黑洞蒸发，释放出史蒂芬霍金辐射。当宇宙终结，黑洞已经蒸发完毕，但史蒂芬霍金辐射保留了下来，在CMB图像中形成环形印记。为了表达对老搭档史蒂芬霍金的敬意，彭罗斯将这类点命名为“史蒂芬霍金点”。

图中的环形，是先前宇宙留下的遗迹？（图片来源：Daniel An, Krzysztof A. Meissner and Roger Penrose）

在BICEP2测绘出的CMB图中，彭罗斯等人观察到了20个存在温度差异的可疑圆环。彭罗斯表示，目前他们已经确认其中一个环属于史蒂芬霍金点，此外还有四五个点需要进一步研究分析。

由于没能从BICEP2团队获得原始数据，彭罗斯等人只能从图像中读取信息。这给该研究带来一定的挑战：由于图像中的一个像素是一片区域的平均，因此由此展开的分析是否足够精确、对单个史蒂芬霍金点的论证是否存在偏差，都存在疑问。

对此，彭罗斯团队表示，根据普朗克天文望远镜的CMB数据，他们验证了史蒂芬霍金点的真实性，超过4000次的模拟也证实了这些异常点的存在。

争议

当然，与以往一样，这个颇为激进的观点一经提出，就引起了不小的争议。

法兰克福高等研究所的理论物理学家Sabine Hossenfelder在博客上表示，按照彭罗斯的估算，宇宙中应该有上百万个史蒂芬霍金点。然而，在覆盖了三分之一天区的BICEP2图上，算上所有可疑的点，也不过20个。那么，其余的史蒂芬霍金点都去哪了？是因为太弱而无法观测到，还是所谓的“史蒂芬霍金点”根本就不成立？

NASA喷气推进实验室的Olivier Dore也认为，这些信号还可能有其他的成因：“论文中的解释虽然有趣，但还需要更多细节来证实他们的猜想。”

而来自BICEP2团队的Brian Keating，则对彭罗斯的假说表现出开放的态度。Keating说，图中的“B模式偏振信号”很可能是太空中大体积物体弯曲光线产生的，“彭罗斯等人的解释与我们的不同，”Keating说，“但光子不会自己告诉我们‘我来自黑洞’或是‘我来自星际尘埃’。”

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本文选自：今日头条