北京時(shí)間 11 月 17 日消息，熱大爆炸（hot Big Bang）理論是 20 世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就之一。這個(gè)理論認(rèn)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(guò)去演化而來(lái)的。在最初提出時(shí)，大爆炸假說(shuō)是作為一種嚴(yán)肅的替代理論，對(duì)宇宙膨脹的一些主流解釋加以補(bǔ)充；但在 20 世紀(jì) 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(jiǎn)稱 CMB）——的發(fā)現(xiàn)，該假說(shuō)基本被證實(shí)了。在大爆炸的極早期，一切宇宙物質(zhì)都?jí)嚎s在一個(gè)熱而致密的 “原始火球”中。
▲ 彭羅斯的共形輪回宇宙學(xué)假設(shè)我們目前的宇宙起源于一個(gè)已經(jīng)存在的宇宙，而這個(gè)宇宙會(huì)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(shuō)，試圖取代暴脹理論，但并沒(méi)有得到數(shù)據(jù)支持。
50 多年來(lái)，大爆炸理論在宇宙學(xué)中逐漸具有了至高無(wú)上的地位，被眾多科學(xué)家用來(lái)描述宇宙的起源。該理論還包括了一段暴脹時(shí)期，發(fā)生在大爆炸之后的極短時(shí)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(lái)，宇宙暴脹和宇宙大爆炸也一直受到天文學(xué)家和天體物理學(xué)家的挑戰(zhàn)，但每一次有新的關(guān)鍵觀測(cè)結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，那些替代的觀點(diǎn)就都消失了。即使是 2020 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(xué)（Conformal Cyclic Cosmology，簡(jiǎn)稱 CCC），也無(wú)法與大爆炸理論的成功相提并論。與近年來(lái)各種新聞標(biāo)題和彭羅斯的斷言相反的是，目前沒(méi)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(gè)宇宙，引起了在宇宙微波背景中的密度漲落，這反過(guò)來(lái)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(gè)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(shí)，持續(xù)到 10^-33 至 10^-32 秒之間。
大爆炸通常被認(rèn)為是一切的開(kāi)始，包括空間、時(shí)間，以及物質(zhì)和能量的起源。從某種古老的觀點(diǎn)來(lái)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(lái)越小，那就意味著它在過(guò)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(zhǎng)就會(huì)隨著宇宙的膨脹而延長(zhǎng)，意味著它會(huì)隨著時(shí)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(zhǎng)和形成。全套數(shù)據(jù)，包括對(duì)輕元素和宇宙微波背景的觀測(cè)結(jié)果，使大爆炸理論成為對(duì)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(shí)刻，如果回溯得足夠久遠(yuǎn)，你就會(huì)獲得足夠大的密度、溫度和能量，以至于能夠創(chuàng)造出奇點(diǎn)的條件。當(dāng)距離尺度足夠小，時(shí)間尺度足夠短，或者能量尺度足夠高的時(shí)候，物理定律就不再有意義了。如果我們能讓時(shí)鐘往回?fù)?138 億年，接近傳說(shuō)中的 “0”點(diǎn)，這些物理定律會(huì)在 10^-43 秒的時(shí)間內(nèi)失效，這就是普朗克時(shí)間，也可以說(shuō)是時(shí)間最早的時(shí)刻。宇宙歷史中最早的時(shí)間階段便被稱為普朗克時(shí)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(huì)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(dòng)量。在中性原子形成后，由于宇宙冷卻至某個(gè)特定的臨界閾值之下，光子就會(huì)沿直線運(yùn)動(dòng)，只在波長(zhǎng)上受空間膨脹的影響。
如果這是對(duì)宇宙的準(zhǔn)確描述——宇宙由此開(kāi)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(guò)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(huì)大量產(chǎn)生，當(dāng)溫度太低而無(wú)法繼續(xù)產(chǎn)生它們時(shí)，多余的粒子就會(huì)湮滅成輻射；
· 電弱對(duì)稱性和希格斯對(duì)稱性在宇宙冷卻至低于恢復(fù)這些對(duì)稱性所需的能量時(shí)就會(huì)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(fù)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(huì)導(dǎo)致密度過(guò)高的區(qū)域增大，而當(dāng)密度過(guò)高時(shí)，輻射壓力會(huì)擴(kuò)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(wàn)年時(shí)，溫度降至足以形成中性、穩(wěn)定的原子。
當(dāng)最后一個(gè)階段發(fā)生時(shí)，原先與自由電子不斷相互作用的光子，便開(kāi)始在宇宙中暢行無(wú)阻，沿直線行進(jìn)。隨著宇宙的膨脹，光子的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，分布也變得稀疏。
▲ 太陽(yáng)的實(shí)際光（黃色曲線，左）與一個(gè)完美黑體（灰色部分）的對(duì)比表明，由于光球?qū)拥暮穸?，太?yáng)更像是一系列黑體；右圖是宇宙背景探測(cè)器（COBE）測(cè)量到的宇宙微波背景中的真實(shí)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(cè)的一致性具有重要的歷史意義，觀測(cè)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(cè)到，將大爆炸假說(shuō)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(xué)家和天體物理學(xué)家立即接受了大爆炸理論，但當(dāng)時(shí)主流的穩(wěn)態(tài)理論（Steady-State theory）仍有不少?gòu)?qiáng)有力的支持者，如英國(guó)天體物理學(xué)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(lái)越荒謬的論點(diǎn)來(lái)捍衛(wèi)自己的理論。
然而，這些論點(diǎn)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(gè)非常完美的黑體，在各個(gè)方向上都相同，與宇宙中的物質(zhì)太不相關(guān)了，以至于無(wú)法與這些各不相同的解釋相符。隨著科學(xué)繼續(xù)發(fā)展，大爆炸理論已經(jīng)成為共識(shí)的一部分，意即成為未來(lái)科學(xué)的合理起點(diǎn)時(shí)，霍伊爾和他的意識(shí)形態(tài)盟友們便通過(guò)鼓吹替代理論來(lái)阻止科學(xué)的進(jìn)步。但這些理論終究在科學(xué)上站不住腳。隨著時(shí)間的推移，其他這些理論變得越來(lái)越無(wú)關(guān)緊要，霍伊爾等人的研究計(jì)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(tuán)能夠隨著時(shí)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(diǎn)。
與此同時(shí)，從 20 世紀(jì) 60 年代到 21 世紀(jì)頭 10 年，天文學(xué)和天體物理學(xué)——特別是關(guān)注宇宙歷史、發(fā)展、演化和命運(yùn)的子領(lǐng)域宇宙學(xué)——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(gè)巨大的宇宙網(wǎng)絡(luò)；
· 我們發(fā)現(xiàn)了星系是如何成長(zhǎng)和進(jìn)化的，以及星系內(nèi)部的恒星數(shù)量如何隨時(shí)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(jìn)一步驗(yàn)證其他與大爆炸有關(guān)的預(yù)測(cè)，比如輕元素的豐度預(yù)測(cè)；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(shí)，也有一些觀察結(jié)果是準(zhǔn)確無(wú)疑的，但大爆炸理論還沒(méi)有辦法進(jìn)行解釋。據(jù)該理論，宇宙最初時(shí)就達(dá)到了足夠的高溫和高能量，但我們今天并沒(méi)有觀察到與此有關(guān)的奇特遺留：既沒(méi)有磁單極子，也沒(méi)有大統(tǒng)一理論預(yù)測(cè)的粒子，抑或是拓?fù)淙毕?，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?cè)?jīng)存在過(guò)，一定也被隱藏了起來(lái)。
▲ 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(kāi)氏度的溫度波動(dòng)。盡管這種性質(zhì)在引力增長(zhǎng)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(cè)并測(cè)量這些波動(dòng)的精度比以往任何時(shí)候都要高。
宇宙要以我們所見(jiàn)的性質(zhì)存在，就必須以一個(gè)非常明確的膨脹率誕生；這個(gè)膨脹率需要精確地平衡總能量密度，精確程度達(dá)到 50 位數(shù)以上。大爆炸理論并沒(méi)有解釋為什么會(huì)這樣。
宇宙空間中不同區(qū)域達(dá)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(shí)間進(jìn)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(dǎo)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(wú)論是對(duì)宇宙學(xué)還是一般的科學(xué)，這都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在科學(xué)中，當(dāng)我們看到一些理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象時(shí)，通常有兩種選擇：
（1）我們可以嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)理論模型來(lái)解釋這些現(xiàn)象，同時(shí)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(cè)；
（2）或者我們可以簡(jiǎn)單地假設(shè)沒(méi)有任何解釋，宇宙只是生來(lái)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(xué)價(jià)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(kuò)展大爆炸理論時(shí)，最成功的假說(shuō)便是宇宙暴脹。該假說(shuō)在大爆炸后建立了一個(gè)階段，宇宙在這個(gè)階段中以指數(shù)方式膨脹：先被拉伸成平坦?fàn)?，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(duì)量子漲落做出新的預(yù)測(cè)，從而導(dǎo)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?yàn)樗鼈儊?lái)自一個(gè)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(wú)法觀察到任何曲率的程度，從而解決了平坦性問(wèn)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(wèn)題。暴脹理論就是這樣解決了大爆炸理論本身無(wú)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(shuō)也遭到了許多人的批評(píng)，但它在其他所有選項(xiàng)都失敗的地方取得了成功。暴脹解決了 “優(yōu)雅退出”的問(wèn)題，即一個(gè)指數(shù)膨脹的宇宙能以一種與觀測(cè)相符的膨脹方式，轉(zhuǎn)變成一個(gè)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(guò)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(gè)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(shuō)對(duì)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(cè)，這些預(yù)測(cè)后來(lái)被觀測(cè)證明是正確的。暴脹理論的預(yù)測(cè)主要在 20 世紀(jì) 80 年代被梳理出來(lái)，而證實(shí)這些預(yù)測(cè)的觀測(cè)證據(jù)則是在過(guò)去 30 年里涌現(xiàn)出來(lái)的。盡管有很多替代理論，但沒(méi)有一個(gè)能像暴脹假說(shuō)那樣成功。
▲ 盡管在暴脹的時(shí)空中預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)許多獨(dú)立的宇宙，但暴脹永遠(yuǎn)不會(huì)在同一時(shí)間在所有地方結(jié)束，而是會(huì)在不同的獨(dú)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(xué)源頭，也是為什么兩個(gè)宇宙不會(huì)發(fā)生碰撞的原因。由于單個(gè)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(lái)容納所有可能的量子結(jié)果。
對(duì)于羅杰 · 彭羅斯而言，盡管他在 20 世紀(jì) 60 到 70 年代關(guān)于廣義相對(duì)論、黑洞和奇點(diǎn)的工作絕對(duì)配得上諾貝爾獎(jiǎng)，但近年來(lái)，他進(jìn)行了大量的努力試圖推翻暴脹假說(shuō)。他推出的替代理論便是 “共形輪回宇宙學(xué)”，一個(gè)在科學(xué)上存在諸多缺陷的假說(shuō)。
共形輪回宇宙學(xué)與暴脹理論在預(yù)測(cè)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(wú)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(dāng)前或未來(lái)的結(jié)構(gòu)或區(qū)域相互作用。我們的宇宙以獨(dú)立于其他宇宙的屬性而存在。
與此相關(guān)的觀測(cè)最初來(lái)自宇宙背景探測(cè)器（COBE）和威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP），近年來(lái)則來(lái)自普朗克衛(wèi)星；這些觀測(cè)的結(jié)果都明確地對(duì)任何這樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極其嚴(yán)格的限制（現(xiàn)有數(shù)據(jù)的極限）。我們的宇宙沒(méi)有印跡；沒(méi)有重復(fù)的模式；沒(méi)有不規(guī)則波動(dòng)的同心圓；也沒(méi)有所謂的 “霍金點(diǎn)”（Hawking points，來(lái)自 “億萬(wàn)年前超大質(zhì)量黑洞霍金蒸發(fā)”的遺留）。當(dāng)我們正確地分析數(shù)據(jù)時(shí)，可以非常清楚地看到，暴脹假說(shuō)與數(shù)據(jù)是一致的，而共形輪回宇宙學(xué)則完全不一致。
▲ 近 10 年來(lái)，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(jiān)持他的主張。然而，觀測(cè)數(shù)據(jù)壓倒性地反對(duì)他的主張，他所做的預(yù)測(cè)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(xué)上不可靠和不合理的方式分析數(shù)據(jù)時(shí)才具有可重復(fù)性。數(shù)以百計(jì)的科學(xué)家已經(jīng)向彭羅斯指出了這一點(diǎn)，并且是在超過(guò) 10 年的時(shí)間里反復(fù)地解釋，但彭羅斯選擇了無(wú)視，繼續(xù)堅(jiān)持自己的論點(diǎn)。
和之前的許多人一樣，彭羅斯似乎已經(jīng)深深愛(ài)上了自己的論點(diǎn)，以至于不能再以負(fù)責(zé)任的態(tài)度來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。然而，這樣的驗(yàn)證是存在的，關(guān)鍵數(shù)據(jù)是公開(kāi)的；彭羅斯不僅提出了錯(cuò)誤的論點(diǎn)，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(gè)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(jià)值的貢獻(xiàn)，但他可能因?yàn)橥砟甑姆强茖W(xué)立場(chǎng)而被剝奪了諾貝爾獎(jiǎng)；彭羅斯剛剛榮獲諾貝爾獎(jiǎng)，但他也犯了同樣令人遺憾的錯(cuò)誤。
當(dāng)然，我們應(yīng)該贊美彭羅斯的創(chuàng)造力，慶祝他具有開(kāi)創(chuàng)性的、值得諾貝爾獎(jiǎng)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(xué)家，或者他們所做的那些沒(méi)有數(shù)據(jù)支持的工作。最后，無(wú)論科學(xué)家或?qū)W說(shuō)的名氣有多大，都要靠宇宙本身來(lái)辨別哪些是有真實(shí)依據(jù)的，哪些只是未經(jīng)證實(shí)的假說(shuō)；我們要不斷追尋宇宙的線索，無(wú)論它將我們帶到哪里。
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