北京時間 11 月 17 日消息，熱大爆炸（hot Big Bang）理論是 20 世紀最偉大的科學成就之一。這個理論認為，我們今天所觀察到并存在于其中的宇宙，是從更熱、更致密且更均勻的過去演化而來的。在最初提出時，大爆炸假說是作為一種嚴肅的替代理論，對宇宙膨脹的一些主流解釋加以補充；但在 20 世紀 60 年代中期，隨著 “原始火球”殘余——如今所知的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，簡稱 CMB）——的發(fā)現(xiàn)，該假說基本被證實了。在大爆炸的極早期，一切宇宙物質(zhì)都壓縮在一個熱而致密的 “原始火球”中。
▲ 彭羅斯的共形輪回宇宙學假設(shè)我們目前的宇宙起源于一個已經(jīng)存在的宇宙，而這個宇宙會給我們今天的宇宙留下印記。這是一種迷人而富有想象力的假說，試圖取代暴脹理論，但并沒有得到數(shù)據(jù)支持。
50 多年來，大爆炸理論在宇宙學中逐漸具有了至高無上的地位，被眾多科學家用來描述宇宙的起源。該理論還包括了一段暴脹時期，發(fā)生在大爆炸之后的極短時間內(nèi)。在暴脹之后，宇宙繼續(xù)膨脹，直到今天，但速度低得多。多年來，宇宙暴脹和宇宙大爆炸也一直受到天文學家和天體物理學家的挑戰(zhàn)，但每一次有新的關(guān)鍵觀測結(jié)果出現(xiàn)時，那些替代的觀點就都消失了。即使是 2020 年諾貝爾物理學獎得主羅杰 · 彭羅斯（Roger Penrose）提出的另一種宇宙觀——共形輪回宇宙學（Conformal Cyclic Cosmology，簡稱 CCC），也無法與大爆炸理論的成功相提并論。與近年來各種新聞標題和彭羅斯的斷言相反的是，目前沒有證據(jù)表明存在某種 “大爆炸之前的宇宙”。
▲ 空間固有的量子漲落在暴脹期間延伸到整個宇宙，引起了在宇宙微波背景中的密度漲落，這反過來又產(chǎn)生了恒星、星系以及今天宇宙中的其他大尺度結(jié)構(gòu)。這是目前關(guān)于整個宇宙如何演變的最好的圖片，暴脹就發(fā)生在宇宙大爆炸后 10^-36 秒時，持續(xù)到 10^-33 至 10^-32 秒之間。
大爆炸通常被認為是一切的開始，包括空間、時間，以及物質(zhì)和能量的起源。從某種古老的觀點來看，這是很合理的。如果我們現(xiàn)在看到的宇宙正在膨脹，密度越來越小，那就意味著它在過去更小，密度更大。如果宇宙中存在某種輻射，比如光子，那么這種輻射的波長就會隨著宇宙的膨脹而延長，意味著它會隨著時間的推移而冷卻。
▲ 宇宙膨脹的歷史可視化圖像，包括被稱為大爆炸的熱而致密的狀態(tài)，以及隨后的結(jié)構(gòu)生長和形成。全套數(shù)據(jù)，包括對輕元素和宇宙微波背景的觀測結(jié)果，使大爆炸理論成為對目前我們所看到一切的最有效解釋。隨著宇宙膨脹，它也逐漸冷卻，形成離子和中性原子，并最終形成分子、氣體云、恒星和星系。
因此，在某一時刻，如果回溯得足夠久遠，你就會獲得足夠大的密度、溫度和能量，以至于能夠創(chuàng)造出奇點的條件。當距離尺度足夠小，時間尺度足夠短，或者能量尺度足夠高的時候，物理定律就不再有意義了。如果我們能讓時鐘往回撥 138 億年，接近傳說中的 “0”點，這些物理定律會在 10^-43 秒的時間內(nèi)失效，這就是普朗克時間，也可以說是時間最早的時刻。宇宙歷史中最早的時間階段便被稱為普朗克時期（0 至 10^-43 秒）。
▲ 在早期的熱宇宙中，中性原子形成之前，光子會以非常高的速率從電子（以及少數(shù)質(zhì)子）中散射出去，從而傳遞動量。在中性原子形成后，由于宇宙冷卻至某個特定的臨界閾值之下，光子就會沿直線運動，只在波長上受空間膨脹的影響。
如果這是對宇宙的準確描述——宇宙由此開始變得炙熱而稠密，然后膨脹并冷卻——那我們就可以預(yù)期在過去的宇宙歷史中所發(fā)生的大量轉(zhuǎn)變，如：
· 所有可能產(chǎn)生的粒子和反粒子都會大量產(chǎn)生，當溫度太低而無法繼續(xù)產(chǎn)生它們時，多余的粒子就會湮滅成輻射；
· 電弱對稱性和希格斯對稱性在宇宙冷卻至低于恢復這些對稱性所需的能量時就會破缺，從而產(chǎn)生四種基本力和靜止質(zhì)量不為零的粒子；
· 夸克和膠子凝聚成復合粒子，如質(zhì)子和中子；
· 中微子不再與幸存的粒子有效地相互作用；
· 質(zhì)子和中子聚變形成輕原子核：氘、氦 - 3、氦 - 4 和鋰 - 7；
· 引力會導致密度過高的區(qū)域增大，而當密度過高時，輻射壓力會擴展這些區(qū)域，創(chuàng)造出一組振蕩的、依賴于規(guī)模的印記；
· 大爆炸后大約 38 萬年時，溫度降至足以形成中性、穩(wěn)定的原子。
當最后一個階段發(fā)生時，原先與自由電子不斷相互作用的光子，便開始在宇宙中暢行無阻，沿直線行進。隨著宇宙的膨脹，光子的波長變長，分布也變得稀疏。
▲ 太陽的實際光（黃色曲線，左）與一個完美黑體（灰色部分）的對比表明，由于光球?qū)拥暮穸?，太陽更像是一系列黑體；右圖是宇宙背景探測器（COBE）測量到的宇宙微波背景中的真實完美黑體。注意，右邊的 “誤差條”是驚人的 400 sigma。這種理論和觀測的一致性具有重要的歷史意義，觀測到的光譜峰值決定了宇宙微波背景的遺留溫度為 2.73 K。
大約 55 年前，這種宇宙微波背景輻射首次被探測到，將大爆炸假說從宇宙起源的若干可行解釋之一變成了唯一與數(shù)據(jù)相符的理論。盡管大多數(shù)天文學家和天體物理學家立即接受了大爆炸理論，但當時主流的穩(wěn)態(tài)理論（Steady-State theory）仍有不少強有力的支持者，如英國天體物理學家弗雷德 · 霍伊爾（Fred Hoyle）。在壓倒性的數(shù)據(jù)面前，他們提出了越來越荒謬的論點來捍衛(wèi)自己的理論。
然而，這些論點盡管引人注目，但最終都以失敗告終。每一種解釋都被數(shù)據(jù)駁倒：宇宙余輝（宇宙微波背景輻射）的光譜是一個非常完美的黑體，在各個方向上都相同，與宇宙中的物質(zhì)太不相關(guān)了，以至于無法與這些各不相同的解釋相符。隨著科學繼續(xù)發(fā)展，大爆炸理論已經(jīng)成為共識的一部分，意即成為未來科學的合理起點時，霍伊爾和他的意識形態(tài)盟友們便通過鼓吹替代理論來阻止科學的進步。但這些理論終究在科學上站不住腳。隨著時間的推移，其他這些理論變得越來越無關(guān)緊要，霍伊爾等人的研究計劃最終在他們死后停止。
▲ 宇宙不僅均勻地膨脹，而且有微小的密度缺陷，這使恒星、星系和星系團能夠隨著時間的推移逐漸形成。在均勻的背景上疊加密度的不均勻性，是理解今天宇宙的起點。
與此同時，從 20 世紀 60 年代到 21 世紀頭 10 年，天文學和天體物理學——特別是關(guān)注宇宙歷史、發(fā)展、演化和命運的子領(lǐng)域宇宙學——取得了驚人地發(fā)展：
· 我們繪制了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了一個巨大的宇宙網(wǎng)絡(luò)；
· 我們發(fā)現(xiàn)了星系是如何成長和進化的，以及星系內(nèi)部的恒星數(shù)量如何隨時間變化；
· 我們了解到，宇宙中所有已知的物質(zhì)和能量形式都不足以解釋目前觀察到的一切，還需要加入某種形式的暗物質(zhì)和暗能量。
此外，我們也能夠進一步驗證其他與大爆炸有關(guān)的預(yù)測，比如輕元素的豐度預(yù)測；原始中微子群的存在；以及密度缺陷的發(fā)現(xiàn)，這種缺陷正是發(fā)展出今天宇宙大尺度結(jié)構(gòu)所必需的。
與此同時，也有一些觀察結(jié)果是準確無疑的，但大爆炸理論還沒有辦法進行解釋。據(jù)該理論，宇宙最初時就達到了足夠的高溫和高能量，但我們今天并沒有觀察到與此有關(guān)的奇特遺留：既沒有磁單極子，也沒有大統(tǒng)一理論預(yù)測的粒子，抑或是拓撲缺陷，等等。從理論上，一定有某種超出我們所知的東西存在著，可以解釋目前所看到的宇宙；但如果它們曾經(jīng)存在過，一定也被隱藏了起來。
▲ 宇宙大爆炸的余輝，即宇宙微波背景（CMB）并不是均勻的，而是存在微小的缺陷和幾百微開氏度的溫度波動。盡管這種性質(zhì)在引力增長之后的宇宙中起到了重要作用，但重要的是要記住，早期的宇宙，以及今天的大尺度宇宙，只是在小于 0.01% 的水平上是不均勻的。普朗克衛(wèi)星探測并測量這些波動的精度比以往任何時候都要高。
宇宙要以我們所見的性質(zhì)存在，就必須以一個非常明確的膨脹率誕生；這個膨脹率需要精確地平衡總能量密度，精確程度達到 50 位數(shù)以上。大爆炸理論并沒有解釋為什么會這樣。
宇宙空間中不同區(qū)域達到相同溫度的唯一方法是使它們處于熱平衡狀態(tài)，如果有時間進行相互作用和交換能量的話。然而，宇宙太大了，而且其膨脹的方式導致了許多互不相連的區(qū)域。即使在光速下，這些區(qū)域的相互作用也不可能發(fā)生。
無論是對宇宙學還是一般的科學，這都是一個巨大的挑戰(zhàn)。在科學中，當我們看到一些理論無法解釋的現(xiàn)象時，通常有兩種選擇：
（1）我們可以嘗試設(shè)計一個理論模型來解釋這些現(xiàn)象，同時保持所有先前理論的成立，并做出新的、不同于先前理論的預(yù)測；
（2）或者我們可以簡單地假設(shè)沒有任何解釋，宇宙只是生來就具備了各種必需的屬性，使其成為我們所觀察到的樣子。
只有第一種選擇才有科學價值，因此這是一種必須嘗試的方法，即使不能得到結(jié)果。在擴展大爆炸理論時，最成功的假說便是宇宙暴脹。該假說在大爆炸后建立了一個階段，宇宙在這個階段中以指數(shù)方式膨脹：先被拉伸成平坦狀，使宇宙在任何地方都具有相同的性質(zhì)，膨脹率與能量密度相匹配，消除了任何先前的高能量殘余，并對量子漲落做出新的預(yù)測，從而導致一種特定的密度和溫度漲落疊加在原本均勻的宇宙之上。
▲ 在最上圖中，今天的宇宙到處都有相同的性質(zhì)（包括溫度），因為它們來自一個具有相同性質(zhì)的區(qū)域。在中間圖中，具有任意曲率的空間可能暴脹到了我們現(xiàn)在無法觀察到任何曲率的程度，從而解決了平坦性問題。在最下圖中，原有的高能遺跡被暴脹消除，解決了高能遺跡問題。暴脹理論就是這樣解決了大爆炸理論本身無法解釋的三大難題。
盡管和之前的大爆炸理論一樣，暴脹假說也遭到了許多人的批評，但它在其他所有選項都失敗的地方取得了成功。暴脹解決了 “優(yōu)雅退出”的問題，即一個指數(shù)膨脹的宇宙能以一種與觀測相符的膨脹方式，轉(zhuǎn)變成一個充滿物質(zhì)和輻射的宇宙。于是，我們可以成功地再現(xiàn)熱大爆炸的過程。暴脹也使能量驟降，消除了任何超高能量的遺跡。它創(chuàng)造了一個高度均勻的宇宙，使膨脹率和總能量密度完美匹配。
暴脹假說對宇宙結(jié)構(gòu)的類型，以及應(yīng)該出現(xiàn)的初始溫度和密度漲落做出了新的預(yù)測，這些預(yù)測后來被觀測證明是正確的。暴脹理論的預(yù)測主要在 20 世紀 80 年代被梳理出來，而證實這些預(yù)測的觀測證據(jù)則是在過去 30 年里涌現(xiàn)出來的。盡管有很多替代理論，但沒有一個能像暴脹假說那樣成功。
▲ 盡管在暴脹的時空中預(yù)計會出現(xiàn)許多獨立的宇宙，但暴脹永遠不會在同一時間在所有地方結(jié)束，而是會在不同的獨立區(qū)域中結(jié)束，這些區(qū)域由持續(xù)暴脹的空間分隔。這就是多元宇宙論的科學源頭，也是為什么兩個宇宙不會發(fā)生碰撞的原因。由于單個宇宙中粒子的相互作用，暴脹并不能創(chuàng)造出足夠的宇宙來容納所有可能的量子結(jié)果。
對于羅杰 · 彭羅斯而言，盡管他在 20 世紀 60 到 70 年代關(guān)于廣義相對論、黑洞和奇點的工作絕對配得上諾貝爾獎，但近年來，他進行了大量的努力試圖推翻暴脹假說。他推出的替代理論便是 “共形輪回宇宙學”，一個在科學上存在諸多缺陷的假說。
共形輪回宇宙學與暴脹理論在預(yù)測上最大的差異是，它基本上要求 “大爆炸前的宇宙”在宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)和宇宙微波背景中顯示某種印跡。相比之下，暴脹理論要求無論暴脹在哪里結(jié)束，或大爆炸在哪里發(fā)生，都不能與任何先前、當前或未來的結(jié)構(gòu)或區(qū)域相互作用。我們的宇宙以獨立于其他宇宙的屬性而存在。
與此相關(guān)的觀測最初來自宇宙背景探測器（COBE）和威爾金森微波各向異性探測器（WMAP），近年來則來自普朗克衛(wèi)星；這些觀測的結(jié)果都明確地對任何這樣的結(jié)構(gòu)進行了極其嚴格的限制（現(xiàn)有數(shù)據(jù)的極限）。我們的宇宙沒有印跡；沒有重復的模式；沒有不規(guī)則波動的同心圓；也沒有所謂的 “霍金點”（Hawking points，來自 “億萬年前超大質(zhì)量黑洞霍金蒸發(fā)”的遺留）。當我們正確地分析數(shù)據(jù)時，可以非常清楚地看到，暴脹假說與數(shù)據(jù)是一致的，而共形輪回宇宙學則完全不一致。
▲ 近 10 年來，羅杰 · 彭羅斯一直在鼓吹一種十分令人懷疑的主張，稱宇宙顯示出了各種特征和證據(jù)，表明我們的宇宙與大爆炸之前的宇宙發(fā)生碰撞并留下印記。這些證據(jù)并不充分，不足以支持彭羅斯的斷言。
盡管如此，但彭羅斯和霍伊爾很像，一直堅持他的主張。然而，觀測數(shù)據(jù)壓倒性地反對他的主張，他所做的預(yù)測被數(shù)據(jù)駁倒，而他所宣稱的那些效應(yīng)只有在以一種科學上不可靠和不合理的方式分析數(shù)據(jù)時才具有可重復性。數(shù)以百計的科學家已經(jīng)向彭羅斯指出了這一點，并且是在超過 10 年的時間里反復地解釋，但彭羅斯選擇了無視，繼續(xù)堅持自己的論點。
和之前的許多人一樣，彭羅斯似乎已經(jīng)深深愛上了自己的論點，以至于不能再以負責任的態(tài)度來進行驗證。然而，這樣的驗證是存在的，關(guān)鍵數(shù)據(jù)是公開的；彭羅斯不僅提出了錯誤的論點，而且已有的證據(jù)可以很容易地表明，他聲稱的特征只能存在于某個并不存在的宇宙。盡管霍伊爾在恒星核聚變方面做出了有價值的貢獻，但他可能因為晚年的非科學立場而被剝奪了諾貝爾獎；彭羅斯剛剛榮獲諾貝爾獎，但他也犯了同樣令人遺憾的錯誤。
當然，我們應(yīng)該贊美彭羅斯的創(chuàng)造力，慶祝他具有開創(chuàng)性的、值得諾貝爾獎的工作，但我們也必須警惕自己，不能盲目崇拜任何偉大的科學家，或者他們所做的那些沒有數(shù)據(jù)支持的工作。最后，無論科學家或?qū)W說的名氣有多大，都要靠宇宙本身來辨別哪些是有真實依據(jù)的，哪些只是未經(jīng)證實的假說；我們要不斷追尋宇宙的線索，無論它將我們帶到哪里。
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