本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：Ethan Siegel
傳統(tǒng)上，宇宙學標準模型認為宇宙是從一次大爆炸開始的，接著是持續(xù)的膨脹和冷卻。然而，最近一項新研究發(fā)現(xiàn)，基于一種巧妙的數(shù)學技巧，我們可以“縮放”宇宙，膨脹可能只是一種幻覺。這個想法能否經(jīng)得起推敲呢？
撰文 | Ethan Siegel
翻譯 | 劉航
回溯 20 世紀 20 年代，有兩個并行發(fā)展的研究為我們對宇宙的現(xiàn)代理解鋪平了道路。在理論方面，如果遵循廣義相對論，我們能推出一個被物質(zhì)和能量均勻填充的宇宙，它將不會是靜態(tài)和穩(wěn)定的，要么膨脹要么坍縮。在觀測方面，我們開始能觀測到銀河系之外的星系，并可以確定（平均而言）它們離我們越遠，相對于我們的遠離速度就越快。
簡單地將理論與觀測結(jié)合，膨脹的宇宙的概念誕生了，并與我們相伴至今。我們的宇宙學標準模型 —— 包括宇宙大爆炸、宇宙暴脹、宇宙結(jié)構(gòu)的形成以及暗物質(zhì)和暗能量 —— 都建立在膨脹的宇宙模型基礎之上。
但是，膨脹的宇宙是否是絕對必要的，是否還有其他可能？最近，一篇有趣的新論文 [1] 引起了一些關注，理論物理學家盧卡斯?隆布里瑟（Lucas Lombriser）認為，通過對廣義相對論的方程進行一些變換，可以使宇宙的膨脹“消失”。在他的設想中，觀測到的宇宙膨脹僅僅是一種幻覺。但是，這是否與我們已知的科學相符？
物理學的等效
有時我們能意識到，對同一現(xiàn)象會存在多種不同的理解方式。如果兩種方式在物理上是等效的，那么我們就知道它們之間并沒有區(qū)別，選擇哪種方式僅僅是個人偏好問題。
以光學為例，你可以將光描述為波（如惠更斯所做）或射線（如牛頓所做），在大多數(shù)實驗情況下，這兩種描述會得出相同的預測。
在量子物理學領域，量子算符作用于量子波函數(shù)，你可以選擇用波函數(shù)描述粒子，使其演化，而量子算符保持不變；或者你可以保持粒子的波函數(shù)不變，而讓量子算符進行演化。
或者，就像在愛因斯坦的相對論中經(jīng)常出現(xiàn)的情況一樣，想象兩位分別擁有時鐘的觀察者：一位在地面上，一位在移動的火車上?？梢杂脙煞N不同的視角來等價地描述這一現(xiàn)象：讓地面處于“靜止”狀態(tài)，火車上的觀察者在運動中經(jīng)歷時間膨脹和長度收縮的效應；亦或是令火車處于“靜止”狀態(tài)，地面上的觀察者經(jīng)歷時間膨脹和長度收縮的效應。
正如“相對”一詞所暗示的，如果這些情景彼此之間給出相同的預測，那么其中任何一個都與另一個等效。
相對論中的后一種情景，暗示數(shù)學家常用的坐標變換可能給我們帶來一些啟發(fā)。我們可能比較習慣用大約 400 年前勒內(nèi)?笛卡爾的方式來考慮坐標：方向 / 維度彼此垂直，坐標軸具有相同的尺度，即我們都學過的笛卡爾坐標系。
但笛卡爾坐標并不是唯一好用的坐標系。比如，處理具有軸對稱性的物體，我們可能更喜歡使用柱坐標；處理關于中心點對稱的物體，使用球坐標可能更合理。如果要處理的不只是空間，而是時空 —— 其中“時間”維度在本質(zhì)上與“空間”維度有著根本不同的行為 —— 那么使用雙曲坐標來將空間和時間聯(lián)系起來會更加方便。
坐標方法的偉大之處在于：它們僅僅是一種選擇。只要你不改變系統(tǒng)背后的基本物理原理，你完全可以自由地選擇任何你喜歡的坐標系來描述宇宙中的任何事物。
重新定義坐標：“逆”膨脹宇宙
有一種顯而易見的方法可以嘗試應用于膨脹的宇宙。傳統(tǒng)上，我們注意到束縛系統(tǒng)（如原子核、原子、分子、行星，甚至恒星系統(tǒng)和星系）中的距離隨時間不變；我們可以將它們作為“標尺”，在任何給定時刻都可以很好地測量距離。當我們將其應用于整個宇宙時，由于我們看到遠處（非束縛的）星系相互遠離，我們得出結(jié)論 —— 宇宙正在膨脹，并試圖找到膨脹速率隨時間變化的關系。
那么，為什么不逆向思維，將這些坐標重新定義一下：保持宇宙中（非束縛的）星系之間的距離固定，而讓我們的“標尺”和其他束縛結(jié)構(gòu)隨著時間而縮小呢？
這種選擇看起來似乎有些輕率，但在科學中，我們通過改變看待問題的方式，反而能揭示出在原視角中不明顯的一些特征，它們可能在新視角中變得清晰起來。重新定義坐標的方法讓我們充滿期待 —— 這正是隆布里瑟在他的新論文中所探討的。采用這種逆向的視角，對于那些最大的謎題，我們將會得出什么樣的結(jié)論呢？
與傳統(tǒng)的宇宙學觀點不同，我們可以將宇宙重新構(gòu)建為靜態(tài)且非膨脹的，相應的代價是：質(zhì)量、長度和時間尺度，都會發(fā)生改變和演化。因為我們的目標是保持宇宙的結(jié)構(gòu)恒定，所以不能有膨脹、彎曲的空間（其中含有不斷增長的密度不均勻性），因此這些演化效應需要對應到其他地方。質(zhì)量尺度將不得不隨時空的演化而演變，距離尺度和時間尺度也將如此。它們必須以精確的方式共同演化，以便在將其結(jié)合起來描述宇宙時，它們能構(gòu)成標準解釋的“逆”。
還有一種方法是同時保持宇宙的結(jié)構(gòu)恒定，以及質(zhì)量尺度、長度尺度和時間尺度，但代價是宇宙的基本常數(shù)以某種方式共同演化，這樣才能將宇宙的所有動態(tài)都“編碼”在它們之上。
你可能會試圖反對上述兩種表述，因為我們的傳統(tǒng)觀點更符合直覺。但正如我們之前提到的，如果數(shù)學是相同的，且任何觀點的預測之間沒有可觀測的差異，那么嘗試將它們應用于宇宙時，它們都具有相同的有效性。
不膨脹的宇宙什么樣？
想要解釋宇宙中的紅移么？在這個新的圖像中，可以用一種不同的方式來解釋。在標準的圖像中：
原子經(jīng)歷原子躍遷；
釋放出具有特定波長的光子；
該光子穿過膨脹的宇宙，在旅途中發(fā)生紅移；
當觀察者接收到它時，它的波長比觀察者實驗室中的相同原子躍遷的波長要長。
在實驗室，我們唯一可以進行的觀測是：測量接收到的光子的觀測波長，并將其與實驗室光子的波長進行比較。這個過程中有可能發(fā)生電子質(zhì)量的演變，普朗克常數(shù) (?) 的演變，以及（無量綱的）精細結(jié)構(gòu)常數(shù)（或其他常數(shù)的組合）的演變。我們測量的遠處光子的紅移，可能是由于多種不同因素導致的，而這些因素之間無法區(qū)分。值得注意的是，適當?shù)財U展，這些多重的因素也將會給引力波帶來相同類型的紅移。
同樣地，我們可以重新構(gòu)建宇宙中結(jié)構(gòu)的增長方式。通常，在標準圖像中，我們從一個略微過密的空間區(qū)域開始，這個區(qū)域的密度略高于宇宙平均密度。然后隨著時間的推移：
這個區(qū)域的引力擾動相比周圍的區(qū)域會吸引更多的物質(zhì)；
導致該區(qū)域的空間膨脹速度比宇宙平均膨脹速度要慢；
隨著密度的增長，最終會越過閾值，引發(fā)引力束縛的條件；
這塊區(qū)域開始引力收縮，并形成宇宙結(jié)構(gòu)的一部分，如恒星團、星系，甚至更大的星系群。
與其追蹤宇宙過密區(qū)域的演化（某種意義上追蹤密度場的演化），我們也可以考慮替換為質(zhì)量尺度、距離尺度和時間尺度的組合演化。類似地，也可以選擇考慮普朗克常數(shù)、光速和引力常數(shù)的演化。我們所看到的“不斷增長的宇宙結(jié)構(gòu)”可能不是宇宙的增長結(jié)果，而是這些參數(shù)在根本上隨著時間發(fā)生變化，使得可觀測量（如結(jié)構(gòu)和其觀測尺寸）保持不變。
如果采取這種方法，無論看起來多么不自然，我們都可以嘗試重新解釋我們的宇宙中一些目前無法解釋的特征。例如“宇宙常數(shù)”的問題，由于某種原因，宇宙似乎給空間充滿了固有的恒定能量密度的場：這種能量密度不會隨著宇宙膨脹而稀釋或改變。這個問題在很久以前并不重要，但現(xiàn)在很重要，因為物質(zhì)密度已經(jīng)稀釋到某個臨界閾值以下。我們不知道為什么空間具有這種非零能量密度，也不知道為什么它呈現(xiàn)出與我們觀測到的暗能量一致的值。在標準圖像中，這是一個無法解釋的謎團。
然而，在這種重新構(gòu)造的方法中，如果質(zhì)量尺度和距離尺度按照新的構(gòu)造進行變化，宇宙常數(shù)的值與普朗克長度的平方的倒數(shù)之間存在關系。并且，普朗克長度隨著宇宙的演化而變化，它的演化是從觀察者的角度：我們現(xiàn)在觀察到的值正是這一時刻的觀測值。如果時間、質(zhì)量和長度都共同演化，那么宇宙學中所謂的“巧合問題”就被消除了。任何觀察者會觀察到他們“當下”的有效宇宙常數(shù)，這是重要的，因為他們的“現(xiàn)在”這個時刻正隨著宇宙時間不斷演化。
在這種情況下，他們可以將暗物質(zhì)重新解釋為粒子質(zhì)量在早期以收斂方式增加的幾何效應。他們也可以將暗能量重新解釋為粒子質(zhì)量在晚期以發(fā)散方式增加的幾何效應。令人興奮的是，重新解釋暗物質(zhì)的不同方法 —— 其中宇宙膨脹被重新解釋為，軸子標量場（作為已知暗物質(zhì)候選粒子）與場相互作用的結(jié)果。軸子標量場與其他場的耦合引入了 CP 破壞 —— 這是在我們的宇宙中產(chǎn)生物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性的關鍵要素之一。
現(xiàn)實的“幻覺”
用這種方式思考問題會帶來許多有趣的潛在結(jié)論，在早期的“沙盒”階段，我們不應該阻止任何人進行這種類型的數(shù)學探索。有朝一日，這樣的想法可能成為超越目前公認的宇宙學標準模型的理論基礎的一部分。
然而，即使這在純廣義相對論視角下是有趣的，大多數(shù)現(xiàn)代宇宙學家也不會費心考慮這些問題。因為就算是去實驗觀察并證明這些重新構(gòu)造在宇宙尺度是可以接受的，它也與我們在地球上已經(jīng)觀察到的東西完全矛盾。
例如，考慮以下觀點：
基本粒子性質(zhì)，例如質(zhì)量、電荷、長度或壽命發(fā)生變化，
或者基本常數(shù)，例如光速、普朗克常數(shù)或引力常數(shù)發(fā)生變化。
我們的宇宙，從可觀測的角度來看，只有 138 億年的歷史。我們在實驗室里對量子系統(tǒng)進行了幾十年的高精度測量，最精密的測量結(jié)果顯示電子磁矩的精度達十萬億分之 1.3[2]。如果粒子性質(zhì)或基本常數(shù)發(fā)生了變化，那么我們的實驗室測量結(jié)果也會發(fā)生變化。而根據(jù)盧卡斯?隆布里瑟等人重新構(gòu)造的理論，自 2009 年以來的約 14 年時間里，我們應該能從這些精確測量中觀測到數(shù)千倍于我們最精細測量精度的變化：約為十億分之一的差異。
電子的磁矩在 2007 年和 2022 年都經(jīng)過極高精度的測量，它們之間的變化少于十萬億分之一（早期測量精度的極限），這表明了精細結(jié)構(gòu)常數(shù)并未發(fā)生變化。
氫原子的自旋翻轉(zhuǎn)躍遷導致了一個精確波長為 21.10611405416 厘米的射線，其不確定度僅為萬億分之 1.4，并且自 1951 年首次觀察以來沒有發(fā)生變化。隨著時間的推移，物理學家對其進行了更精確地測量，這表明普朗克常數(shù)并未發(fā)生變化。
而厄缶實驗（E?tv?s experiment），用于測量慣性質(zhì)量（不受引力常數(shù)影響）和重力質(zhì)量（受影響）之間的等效性，截至 2017 年已經(jīng)顯示這兩種“類型”的質(zhì)量等效性非常顯著，達到了一萬億分之一。
按照標準觀點研究宇宙的一個顯著特征是：貫穿整個宇宙的歷史，所有在地球上適用的物理定律同樣適用于宇宙中的任何位置和時刻。一個在地球上失敗的宇宙學觀點，遠不如一個在所有物理系統(tǒng)都能成功適用的觀點有趣。傳統(tǒng)的膨脹的宇宙觀點與地球上的物理學相符，而另一個替代觀點在描述更大的宇宙時表現(xiàn)良好但在地球上失敗，那么我們并不能說膨脹的宇宙是一個幻覺。畢竟，地球上的物理學對我們來說是最真實、能進行最精確測量和嚴格檢驗的錨點。
這并不是說發(fā)表這種推測探索性研究的期刊 —— 比如《經(jīng)典和量子引力》（Classical and Quantum Gravity）、《高能物理學雜志》（Journal of High Energy Physics）或《宇宙學與宇宙粒子物理學雜志》（Journal of High Energy Physics）等 —— 不具有聲譽和高質(zhì)量；實際上它們是非常有聲望的。它們是特定領域的專業(yè)期刊 —— 比起對實驗的分析和理解，它們對（宇宙）早期的理論探索更感興趣。無論如何，請繼續(xù)探索標準宇宙學（和粒子物理學）的現(xiàn)實替代方案。但不要假裝拋棄所有的現(xiàn)實是一個可行的選擇。在這里，唯一的“幻覺”是我們觀察到、測量到的現(xiàn)實，在理解我們的宇宙時，這是非常重要的。
參考文獻
[1] Lucas Lombriser 2023 Class. Quantum Grav. 40 155005, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/acdb41
[2] Phys. Rev. Lett. 130, 071801 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.071801
作者簡介
Ethan Siegel，天體物理學家、作家和科學傳播者，教授物理學和天文學。自 2008 年以來，其博客“從大爆炸開始”(Starts With A Bang!) 贏得了很多科學寫作獎，包括英國物理研究會頒發(fā)的最佳科學博客獎。著有 Treknology：The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive，Beyond the Galaxy 等。
本文譯自 Ethan Siegel, Could the expanding Universe truly be a mirage? 原文地址：https://bigthink.com/starts-with-a-bang / expanding-universe-mirage/，經(jīng)作者授權(quán)刊發(fā)于《返樸》。
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