📖 ZKIZ Archives

宇宙大爆炸不曾發生過？

三十多年以來，最簡單的暴脹模型，包括那些出現在教科書中的，第一次出現了與觀測嚴重不符的情況。（環球科學供圖/圖）

（本文首發於2017年2月23日《南方周末》）

對宇宙微波背景輻射的最新觀測引發了科學家對暴脹理論的關註。與觀測數據之間的矛盾以及理論自身的問題，讓一些天體物理學家對暴脹這個目前最受歡迎的宇宙學圖景產生了懷疑，並考慮關於宇宙起源的新理論。

2013年3月21日，歐洲空間局召開了一次國際新聞發布會，公布了普朗克衛星的最新觀測結果。這顆衛星以前所未有的精度繪制了宇宙微波背景輻射（CMB）的圖譜——所謂的CMB，是指130多億年前宇宙大爆炸剛剛結束時發出的光。科學家告訴在場的記者，這張新的CMB圖譜證實了宇宙學家35年來一直非常重視的理論——宇宙起源於大爆炸，並在隨後經歷了一次短時間內的超加速膨脹，即暴脹。這次膨脹將宇宙抹得如此之平，以至於幾十億年以後，宇宙在各個方向、各個位置仍然是近乎完全相同的，而且是“平的”，沒有像球面那樣彎曲。整個宇宙中只有一些微小的物質密度漲落，最終形成了我們周圍的恒星、星系和星系團。

這次新聞發布會表露的主要信息是，普朗克衛星數據完美符合最簡單的暴脹模型的預言，再一次使人們認識到該理論的堅實可靠。普朗克團隊聲稱，宇宙學這本大書應該要結尾了。

得到普朗克團隊公布的最新結果後，本文的三位作者在哈佛－史密森尼天體物理學中心討論了它的影響。伊堯什是從德國來訪問的研究生；斯坦哈特當時正在哈佛大學學術休假，他在30年前曾是暴脹理論的最初設計者之一（但他在後來的工作中指出暴脹的理論基礎存在嚴重的問題）；而勒布作為哈佛大學天文系的系主任，是前兩人的接待者。我們三人都很贊賞普朗克團隊的精密觀測，但我們並不同意他們對數據的解釋。恰恰相反，普朗克數據並不支持最簡單的暴脹模型，還使得該理論一直存在的基本問題變得更為嚴重，這使得天體物理學家有新的理由去考慮關於宇宙起源和演化的其他競爭理論。

自那之後的數年中，普朗克衛星和其他探測器收集到了更為精密的數據，使這種狀況變得越發明顯。然而，即使是現在，宇宙學圈子都還沒有冷靜、誠實地對待大爆炸－暴脹理論，也未對暴脹是否真正發生的質疑給予足夠的關註。相反，宇宙學家似乎樂於接受暴脹擁護者的主張，即我們必須相信暴脹理論，因為對於我們觀測到的宇宙特征，只有這個理論能提供簡單解釋。但正如我們要在下面解釋的，普朗克的數據，再加上一些理論問題，已經動搖了這個理論的根基。

暴脹能夠告訴我們什麽

為了闡明暴脹的問題，我們先和這個理論的支持者保持一致：假設暴脹是正確的。設想有一位先知告訴我們，暴脹確實發生於大爆炸之後不久。如果我們相信先知的話，那麽關於宇宙演化，他到底告訴了我們什麽呢？如果暴脹確實為我們提供了一個對宇宙的簡單解釋，那麽先知的預言應該也可以告訴我們，從普朗克衛星數據中我們將會看到些什麽。

先知的預言能告訴我們的一件事情是，在大爆炸後不久的某段時間內，空間中必須有一小塊區域充滿著一種奇妙的能量，從而導致這塊區域經歷一次極快的加速膨脹（暴脹）。那些我們最熟悉的能量形式，比如物質和輻射的能量，會因為自身的引力吸引作用而阻止或減緩宇宙的膨脹。而暴脹要求宇宙充滿一種密度很高、具有排斥力的能量來推動宇宙加速膨脹。但值得註意的一點是，這種起關鍵作用的、被稱為暴脹能的能量組分完全來自猜想，我們並沒有直接證據表明它們真實存在。除此之外，在過去35年里出現了幾百個可能的暴脹模型，而每個模型預言的暴脹速度和宇宙整體膨脹程度都相差巨大。因此很明顯，暴脹並不是一個精確的理論，而是一個有很大彈性、包含多種可能性的理論框架。

但是，根據先知的預言，我們能得出哪些適用於所有模型，與暴脹能的具體形式無關的結論呢？首先，根據量子物理的基礎知識，我們能夠確定在暴脹結束時，整個宇宙中溫度和物質的密度必然是各處相異的。在暴脹期間，暴脹能量密度在亞原子尺度上的隨機量子漲落將會被拉伸到宇宙尺度，形成具有不同暴脹能的區域。當暴脹能衰變為普通的物質和輻射時，加速膨脹結束。在暴脹能量密度（1立方米空間里暴脹能量的大小）稍微大一點的區域，加速膨脹時間會稍微長一點，並且當暴脹能最終衰變的時候，該區域內宇宙的能量密度和溫度也會稍微高一點。因此，在記錄了那段歷史的微波背景輻射上，量子效應導致的暴脹能漲落將表現為熱點和冷點交雜分布的圖樣。在之後的137億年里，宇宙中這些微小的密度和溫度漲落會在引力的作用下凝聚，形成星系和大尺度結構。

這個開頭還不錯，雖然有些含糊。那麽，我們能預言空間中星系的數量和分布情況嗎？能預言空間彎曲到什麽程度嗎？能預言需要多少物質或其他形式的能量來產生現在的宇宙嗎？答案是不能。暴脹這個理論是如此的富有彈性，以至於可能給出任何結果。暴脹能告訴我們大爆炸為何發生，或告訴我們最終演化為現在的宇宙的那一塊初始空間是如何產生的嗎？答案依然是不能。

即使我們知道暴脹真的存在，對於普朗克衛星觀測到的CMB熱點和冷點，我們也不能給出多少預言。根據普朗克衛星的觀測數據繪制的CMB圖譜和之前的一些宇宙微波背景研究指出，無論尺度怎樣縮放，熱點和冷點的分布模式都幾乎是一樣的，這個性質被科學家稱為“標度不變性”。最新的普朗克衛星數據顯示，CMB基本遵守標度不變，偏離很小，只有百分之幾，而各個點之間溫度差異的平均值則大概只有萬分之一。

暴脹的擁護者經常強調暴脹可以產生具有這些性質的模式，然而這個論調忽略了一個關鍵之處：暴脹同樣允許熱點和冷點的分布模式不遵守標度不變，也允許不同點之間的溫度差異比觀測值大得多。換句話說，暴脹的結果既可能標度不變，也可能與標度不變相差甚遠，還可能是介於二者之間的種種情況，這取決於研究者對暴脹能量密度細節做出的假設。因此，普朗克衛星所看到的冷熱點分布並不能當成暴脹理論的證據。

如果暴脹真的發生過

值得註意的是，如果我們知道暴脹的確曾發生過，那麽我們肯定能在普朗克衛星觀測到的CMB數據里發現一個特征，因為它適用於所有形式最簡單的暴脹能量，包括標準教科書里的那些。量子漲落在導致暴脹能量隨機漲落的同時，也會令空間隨機變形，暴脹一旦結束，這些隨機變形便會以空間形變波的形式在宇宙中傳播。這些擾動被稱為引力波，是導致宇宙微波背景輻射上出現熱點和冷點的另一個原因，而且它還有著很特別的極化效應（也就是說，引力波使得光的電場會朝著某個特定的方向，該方向取決於光是來自熱點還是冷點，或是二者之間的地方）。

不幸的是，對暴脹引力波的搜索一直沒有結果。宇宙學家在1992年就用COBE（宇宙背景探測者）衛星首次觀測到了熱點和冷點，之後還有很多後續的觀測，包括普朗克衛星2015年的數據，但到本文撰寫之時，他們還沒找到暴脹所預言的宇宙引力波的任何跡象。（2014年3月17日，南極BICEP2實驗組的科學家宣布探測到了宇宙引力波，但後來他們認識到自己實際上觀測到的是銀河系中塵埃導致的極化效應，所以又撤回了聲明。）需要指出的是，宇宙學家期待的宇宙引力波與激光幹涉引力波天文臺（LIGO）發現的、由現代宇宙中的黑洞並合所產生的引力波沒有任何關系。

普朗克衛星的結果——宇宙微波背景中冷點和熱點的分布模式非常接近嚴格的標度不變（只偏離了百分之幾），同時又探測不到宇宙引力波，這令人震驚。三十多年以來，最簡單的暴脹模型，包括那些出現在教科書中的，第一次出現了與觀測嚴重不符的情況。當然，理論家們迅速對暴脹圖像進行了修補，但代價是暴脹模型變得更加複雜難懂，也暴露出了更多的問題。

複雜而怪異的結論

為了真正理解普朗克衛星的觀測數據帶來的影響，有必要了解一下暴脹支持者們推崇的暴脹模型以及它們的不足之處。

那些研究者認為，暴脹的能量來自一個假想的、被稱為暴脹子的場。這種場就像電磁場一樣，充斥於空間並在空間每個點上都有一個場強（值）。因為暴脹子是假想的，理論家們可以自由地設想暴脹子具有引起宇宙加速膨脹的排斥力。空間中，給定點處的暴脹場的場強決定了那一點的暴脹能量密度。場強和能量密度的關系可以用一條像山坡一樣的曲線來表示。研究者提出的幾百個暴脹模型中，每個模型都有一個具體的山坡形狀，來決定暴脹結束時宇宙的性質——比如宇宙是否平坦、光滑，並有一個近乎標度不變的溫度和密度變化模式。

如果有個“先知”告訴我們宇宙是通過暴脹演化到現在這個樣子，那麽我們期待的暴脹能量密度曲線就應該像山坡那樣，從頂到底形狀都很簡單，只有最少的可調參數，且不需要非常苛刻的條件來驅動暴脹。實際上，到目前為止，關於暴脹宇宙學的教科書幾乎都把能量曲線表示成這種簡單、一致的形狀。特別是，能量密度會隨場強的變化沿著這些簡單曲線穩定增大，使得暴脹場可能會有這樣一個初始值——在該值處，暴脹能量密度等於所謂的普朗克密度，即宇宙剛從大爆炸誕生時的總能量密度。這樣的話，暴脹場的能量是宇宙初始時刻唯一的能量形式，在這樣的有利條件下，加速膨脹會立即開始。在暴脹期間，暴脹場的強度會很自然地演化，使得能量密度沿著曲線緩慢、平滑地降低直至谷底，在那里曲線降到最低，對應於我們今天所處的宇宙（我們可以將這個過程想成暴脹場從曲線上“滑雪”而下）。這就是教科書里出現的經典暴脹故事。

但是普朗克衛星的數據告訴我們，這個故事不可能是對的。簡單的暴脹曲線會產生比觀測結果更嚴重偏離標度不變性的熱點和冷點，以及較強的、理應已經被觀測到的引力波。如果我們仍然堅持暴脹曾發生過，普朗克衛星的結果就要求暴脹場沿著更複雜的能量密度曲線“滑雪”而下。衛星的數據也將迫使你得出暴脹始於一個平臺似的能量密度曲線這樣一個怪異的結論（這些版本的理論被稱為平臺模型，要求暴脹開始於不太可能的條件——暴脹場得在恰好合適的時刻有恰好合適的值來引發暴脹）。也許出於這個原因，你會對“先知”是否可靠產生懷疑。

暴脹帶來的混亂

當然，先知是不存在的。我們不應該簡單地接受暴脹曾發生過這個假設，特別是因為它並不能給我們觀測到的宇宙特征提供一個簡單的解釋。宇宙學家應該基於我們對宇宙的觀測，按照規範、科學的步驟估計暴脹發生的概率，進而對這一理論作出評價。從這個方面講，現在的數據排除了最簡單的暴脹模型而青睞於更不自然的模型，這無疑是個壞消息。但說句實話，這也不是暴脹理論碰到的第一個問題了，這些觀測結果只是使之前的問題變得更加尖銳了。

比如說，我們應該思考宇宙擁有適於暴脹的初始條件這件事情是否合理。要開始暴脹，必須要滿足兩個不大可能存在的條件。首先，在大爆炸後不久，必須有一片區域，其中的時空量子漲落都已平息，且可以很成功地被愛因斯坦的經典廣義相對論方程描述；其次，這片空間必須足夠平坦並具有足夠均勻的能量分布，使得暴脹能量能夠快速增長，壓過其他形式的能量，占主導作用。有幾個研究在理論上估算了大爆炸之後出現一塊擁有這些性質的空間的幾率，結果表明，這比在一片荒漠中找到一座擁有滑雪纜車和保養妥善的滑雪坡道的雪山更困難。

更重要的是，如果很容易在大爆炸後找到這麽一片足夠平坦光滑可以暴脹的地方，那麽我們從一開始就不需要暴脹了。還記得嗎？引入暴脹的全部動機就是解釋我們可觀測的宇宙為何擁有這些性質；如果我們要求宇宙有同樣的性質才能開始暴脹，區別只是需要的空間範圍小了一點的話，那麽這可算不得什麽進步。

然而，這些問題只是我們麻煩的開始。不僅暴脹需要的初始條件很難獲得，而且暴脹一旦開始便停不下來。這個癥結要歸咎於時空的量子擾動。它們導致暴脹場的強度各處不同，從而使得空間中有些點比其他點更早結束暴脹。頃刻間，停止暴脹的區域會被繼續暴脹的區域包圍而萎縮。這個過程反複發生。在大多數膨脹的區域，暴脹場強度的變化將使得能量密度降低，令暴脹結束，但少數大幅量子跳躍會在某些區域令暴脹持續下去，並不斷產生出暴脹得更厲害的區域。然後，這個過程便會無休止地持續下去。

暴脹將以這種方式永遠持續，產生無數塊已結束暴脹的空間，每塊空間都創造出一個自己的宇宙。只有在這些已結束暴脹的空間中，空間膨脹速率才能變得足夠緩慢，從而能夠形成星系、恒星、行星和生命。這也暗示，由於量子漲落固有的隨機效應，每塊空間都有著不同的宇宙學性質。通常說來，大多數宇宙不會是平坦或沒有彎曲的，物質的分布不會近乎均勻，宇宙微波背景輻射上熱點和冷點的分布模式也不會近標度不變。這些空間給出了無數種不同的可能結果，沒有哪塊空間比其他空間出現的幾率更大，我們的宇宙也一樣。這個結果就是宇宙學家所稱的多重宇宙（也許稱為多重混亂更恰當）。由於每塊空間都可擁有任何物理上可能的特性，多重宇宙不能解釋為什麽我們的宇宙具有我們所觀測到的這些非常特殊的條件——這些條件只不過是我們這片特定空間偶然出現的特征罷了。

拋棄暴脹

鑒於所有這些問題，暴脹根本不曾發生的觀點值得我們仔細考慮。如果我們往回追溯，在邏輯上似乎有兩種可能性。要麽宇宙有一個開始，我們一般稱之為“大爆炸”；要麽沒有開始，所謂的大爆炸其實是一次“大反彈”，即從之前的某種宇宙學相到現在的膨脹相的一次轉變。雖然大多數宇宙學家假設有一個爆炸，但目前還沒有任何證據能辨別137億年前發生的到底是爆炸還是反彈。然而，與爆炸不同，反彈不需要後期的暴脹來創造我們現在所看到的宇宙，所以反彈理論意味著脫離暴脹範式的一個巨大轉變。

最近的研究已經給出了描述宇宙如何從收縮相到膨脹相轉變的初步詳細方案，使得我們有可能構造出完整的反彈宇宙學理論。

考慮到暴脹的問題和反彈宇宙的可能性，你可能會期待科學家來一場大討論，根據當前的觀測數據，弄清楚到底哪種理論是正確的。但有一個問題：暴脹宇宙學，按照我們目前的理解，不能用科學方法來評估。正如上文討論過的，如果我們改變初始條件、改變暴脹能量密度曲線的形狀，暴脹的結果就能輕易改變——你可能還記得永恒暴脹和多重混亂。這些特點使暴脹理論極富彈性，以至於沒有實驗能對它提出反證。

有些科學家接受暴脹是不可被檢測的，但拒絕放棄它。他們還提出，科學本身必須改變，應該拋棄科學的標誌性特點：可檢測性。這個主張已經引發了此起彼伏的關於科學本質及其新定義的討論，並促使某些非實驗主義科學的理論擡頭。

一個普遍的誤解是實驗可以用來證偽一個理論。實際上，一個失敗的理論會由於人們試圖不斷修補它而變得對實驗越來越有免疫力。這個理論會變得更加複雜、微調程度更高來適應新的觀測，直到它（對觀測）的解釋能力消失殆盡。一個理論的解釋能力是由它能排除多少可能性來衡量的。免疫程度越高意味著能排除的越少，以及解釋能力越差。像多重混亂這樣一個理論不能排除任何事情，因此沒有解釋能力。將一個空洞的理論宣告成為無可爭議的標準觀點需要一些非科學的擔保。既然沒有先知，唯一的替代辦法是求助於學術權威。歷史告訴我們這條路是錯誤的。

今天的我們很幸運，觀測為我們暴露出了尖銳的、根本性的問題。主流理論的失敗，給了我們一個取得理論突破的歷史性機遇。我們應當承認宇宙學仍然是有討論余地的，而不是給早期宇宙這本書畫上句號。

（Scientific American 中文版《環球科學》授權南方周末發表，有刪節，邱濤濤翻譯，蔡勇、樸雲松審校）