宇宙大爆炸不曾发生过？

▲三十多年以来，最简单的暴胀模型，包括那些出现在教科书中的，第一次出现了与观测严重不符的情况。（环球科学供图/图）

本文作者为安娜·伊尧什（Anna Ijjas）、保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）、亚伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）

2013年3月21日，欧洲空间局召开了一次国际新闻发布会，公布了普朗克卫星的最新观测结果。这颗卫星以前所未有的精度绘制了宇宙微波背景辐射（CMB）的图谱——所谓的CMB，是指130多亿年前宇宙大爆炸刚刚结束时发出的光。科学家告诉在场的记者，这张新的CMB图谱证实了宇宙学家35年来一直非常重视的理论——宇宙起源于大爆炸，并在随后经历了一次短时间内的超加速膨胀，即暴胀。这次膨胀将宇宙抹得如此之平，以至于几十亿年以后，宇宙在各个方向、各个位置仍然是近乎完全相同的，而且是“平的”，没有像球面那样弯曲。整个宇宙中只有一些微小的物质密度涨落，最终形成了我们周围的恒星、星系和星系团。

这次新闻发布会表露的主要信息是，普朗克卫星数据完美符合最简单的暴胀模型的预言，再一次使人们认识到该理论的坚实可靠。普朗克团队声称，宇宙学这本大书应该要结尾了。

得到普朗克团队公布的最新结果后，本文的三位作者在哈佛－史密森尼天体物理学中心讨论了它的影响。伊尧什是从德国来访问的研究生；斯坦哈特当时正在哈佛大学学术休假，他在30年前曾是暴胀理论的最初设计者之一（但他在后来的工作中指出暴胀的理论基础存在严重的问题）；而勒布作为哈佛大学天文系的系主任，是前两人的接待者。我们三人都很赞赏普朗克团队的精密观测，但我们并不同意他们对数据的解释。恰恰相反，普朗克数据并不支持最简单的暴胀模型，还使得该理论一直存在的基本问题变得更为严重，这使得天体物理学家有新的理由去考虑关于宇宙起源和演化的其他竞争理论。

自那之后的数年中，普朗克卫星和其他探测器收集到了更为精密的数据，使这种状况变得越发明显。然而，即使是现在，宇宙学圈子都还没有冷静、诚实地对待大爆炸－暴胀理论，也未对暴胀是否真正发生的质疑给予足够的关注。相反，宇宙学家似乎乐于接受暴胀拥护者的主张，即我们必须相信暴胀理论，因为对于我们观测到的宇宙特征，只有这个理论能提供简单解释。但正如我们要在下面解释的，普朗克的数据，再加上一些理论问题，已经动摇了这个理论的根基。

为了阐明暴胀的问题，我们先和这个理论的支持者保持一致：假设暴胀是正确的。设想有一位先知告诉我们，暴胀确实发生于大爆炸之后不久。如果我们相信先知的话，那么关于宇宙演化，他到底告诉了我们什么呢？如果暴胀确实为我们提供了一个对宇宙的简单解释，那么先知的预言应该也可以告诉我们，从普朗克卫星数据中我们将会看到些什么。

先知的预言能告诉我们的一件事情是，在大爆炸后不久的某段时间内，空间中必须有一小块区域充满着一种奇妙的能量，从而导致这块区域经历一次极快的加速膨胀（暴胀）。那些我们最熟悉的能量形式，比如物质和辐射的能量，会因为自身的引力吸引作用而阻止或减缓宇宙的膨胀。而暴胀要求宇宙充满一种密度很高、具有排斥力的能量来推动宇宙加速膨胀。但值得注意的一点是，这种起关键作用的、被称为暴胀能的能量组分完全来自猜想，我们并没有直接证据表明它们真实存在。除此之外，在过去35年里出现了几百个可能的暴胀模型，而每个模型预言的暴胀速度和宇宙整体膨胀程度都相差巨大。因此很明显，暴胀并不是一个精确的理论，而是一个有很大弹性、包含多种可能性的理论框架。

但是，根据先知的预言，我们能得出哪些适用于所有模型，与暴胀能的具体形式无关的结论呢？首先，根据量子物理的基础知识，我们能够确定在暴胀结束时，整个宇宙中温度和物质的密度必然是各处相异的。在暴胀期间，暴胀能量密度在亚原子尺度上的随机量子涨落将会被拉伸到宇宙尺度，形成具有不同暴胀能的区域。当暴胀能衰变为普通的物质和辐射时，加速膨胀结束。在暴胀能量密度（1立方米空间里暴胀能量的大小）稍微大一点的区域，加速膨胀时间会稍微长一点，并且当暴胀能最终衰变的时候，该区域内宇宙的能量密度和温度也会稍微高一点。因此，在记录了那段历史的微波背景辐射上，量子效应导致的暴胀能涨落将表现为热点和冷点交杂分布的图样。在之后的137亿年里，宇宙中这些微小的密度和温度涨落会在引力的作用下凝聚，形成星系和大尺度结构。

这个开头还不错，虽然有些含糊。那么，我们能预言空间中星系的数量和分布情况吗？能预言空间弯曲到什么程度吗？能预言需要多少物质或其他形式的能量来产生现在的宇宙吗？答案是不能。暴胀这个理论是如此的富有弹性，以至于可能给出任何结果。暴胀能告诉我们大爆炸为何发生，或告诉我们最终演化为现在的宇宙的那一块初始空间是如何产生的吗？答案依然是不能。

即使我们知道暴胀真的存在，对于普朗克卫星观测到的CMB热点和冷点，我们也不能给出多少预言。根据普朗克卫星的观测数据绘制的CMB图谱和之前的一些宇宙微波背景研究指出，无论尺度怎样缩放，热点和冷点的分布模式都几乎是一样的，这个性质被科学家称为“标度不变性”。最新的普朗克卫星数据显示，CMB基本遵守标度不变，偏离很小，只有百分之几，而各个点之间温度差异的平均值则大概只有万分之一。

暴胀的拥护者经常强调暴胀可以产生具有这些性质的模式，然而这个论调忽略了一个关键之处：暴胀同样允许热点和冷点的分布模式不遵守标度不变，也允许不同点之间的温度差异比观测值大得多。换句话说，暴胀的结果既可能标度不变，也可能与标度不变相差甚远，还可能是介于二者之间的种种情况，这取决于研究者对暴胀能量密度细节做出的假设。因此，普朗克卫星所看到的冷热点分布并不能当成暴胀理论的证据。

值得注意的是，如果我们知道暴胀的确曾发生过，那么我们肯定能在普朗克卫星观测到的CMB数据里发现一个特征，因为它适用于所有形式最简单的暴胀能量，包括标准教科书里的那些。量子涨落在导致暴胀能量随机涨落的同时，也会令空间随机变形，暴胀一旦结束，这些随机变形便会以空间形变波的形式在宇宙中传播。这些扰动被称为引力波，是导致宇宙微波背景辐射上出现热点和冷点的另一个原因，而且它还有着很特别的极化效应（也就是说，引力波使得光的电场会朝着某个特定的方向，该方向取决于光是来自热点还是冷点，或是二者之间的地方）。

不幸的是，对暴胀引力波的搜索一直没有结果。宇宙学家在1992年就用COBE（宇宙背景探测者）卫星首次观测到了热点和冷点，之后还有很多后续的观测，包括普朗克卫星2015年的数据，但到本文撰写之时，他们还没找到暴胀所预言的宇宙引力波的任何迹象。（2014年3月17日，南极BICEP2实验组的科学家宣布探测到了宇宙引力波，但后来他们认识到自己实际上观测到的是银河系中尘埃导致的极化效应，所以又撤回了声明。）需要指出的是，宇宙学家期待的宇宙引力波与激光干涉引力波天文台（LIGO）发现的、由现代宇宙中的黑洞并合所产生的引力波没有任何关系。

普朗克卫星的结果——宇宙微波背景中冷点和热点的分布模式非常接近严格的标度不变（只偏离了百分之几），同时又探测不到宇宙引力波，这令人震惊。三十多年以来，最简单的暴胀模型，包括那些出现在教科书中的，第一次出现了与观测严重不符的情况。当然，理论家们迅速对暴胀图像进行了修补，但代价是暴胀模型变得更加复杂难懂，也暴露出了更多的问题。

为了真正理解普朗克卫星的观测数据带来的影响，有必要了解一下暴胀支持者们推崇的暴胀模型以及它们的不足之处。

那些研究者认为，暴胀的能量来自一个假想的、被称为暴胀子的场。这种场就像电磁场一样，充斥于空间并在空间每个点上都有一个场强（值）。因为暴胀子是假想的，理论家们可以自由地设想暴胀子具有引起宇宙加速膨胀的排斥力。空间中，给定点处的暴胀场的场强决定了那一点的暴胀能量密度。场强和能量密度的关系可以用一条像山坡一样的曲线来表示。研究者提出的几百个暴胀模型中，每个模型都有一个具体的山坡形状，来决定暴胀结束时宇宙的性质——比如宇宙是否平坦、光滑，并有一个近乎标度不变的温度和密度变化模式。

如果有个“先知”告诉我们宇宙是通过暴胀演化到现在这个样子，那么我们期待的暴胀能量密度曲线就应该像山坡那样，从顶到底形状都很简单，只有最少的可调参数，且不需要非常苛刻的条件来驱动暴胀。实际上，到目前为止，关于暴胀宇宙学的教科书几乎都把能量曲线表示成这种简单、一致的形状。特别是，能量密度会随场强的变化沿着这些简单曲线稳定增大，使得暴胀场可能会有这样一个初始值——在该值处，暴胀能量密度等于所谓的普朗克密度，即宇宙刚从大爆炸诞生时的总能量密度。这样的话，暴胀场的能量是宇宙初始时刻唯一的能量形式，在这样的有利条件下，加速膨胀会立即开始。在暴胀期间，暴胀场的强度会很自然地演化，使得能量密度沿着曲线缓慢、平滑地降低直至谷底，在那里曲线降到最低，对应于我们今天所处的宇宙（我们可以将这个过程想成暴胀场从曲线上“滑雪”而下）。这就是教科书里出现的经典暴胀故事。

但是普朗克卫星的数据告诉我们，这个故事不可能是对的。简单的暴胀曲线会产生比观测结果更严重偏离标度不变性的热点和冷点，以及较强的、理应已经被观测到的引力波。如果我们仍然坚持暴胀曾发生过，普朗克卫星的结果就要求暴胀场沿着更复杂的能量密度曲线“滑雪”而下。卫星的数据也将迫使你得出暴胀始于一个平台似的能量密度曲线这样一个怪异的结论（这些版本的理论被称为平台模型，要求暴胀开始于不太可能的条件——暴胀场得在恰好合适的时刻有恰好合适的值来引发暴胀）。也许出于这个原因，你会对“先知”是否可靠产生怀疑。

当然，先知是不存在的。我们不应该简单地接受暴胀曾发生过这个假设，特别是因为它并不能给我们观测到的宇宙特征提供一个简单的解释。宇宙学家应该基于我们对宇宙的观测，按照规范、科学的步骤估计暴胀发生的概率，进而对这一理论作出评价。从这个方面讲，现在的数据排除了最简单的暴胀模型而青睐于更不自然的模型，这无疑是个坏消息。但说句实话，这也不是暴胀理论碰到的第一个问题了，这些观测结果只是使之前的问题变得更加尖锐了。

比如说，我们应该思考宇宙拥有适于暴胀的初始条件这件事情是否合理。要开始暴胀，必须要满足两个不大可能存在的条件。首先，在大爆炸后不久，必须有一片区域，其中的时空量子涨落都已平息，且可以很成功地被爱因斯坦的经典广义相对论方程描述；其次，这片空间必须足够平坦并具有足够均匀的能量分布，使得暴胀能量能够快速增长，压过其他形式的能量，占主导作用。有几个研究在理论上估算了大爆炸之后出现一块拥有这些性质的空间的几率，结果表明，这比在一片荒漠中找到一座拥有滑雪缆车和保养妥善的滑雪坡道的雪山更困难。

更重要的是，如果很容易在大爆炸后找到这么一片足够平坦光滑可以暴胀的地方，那么我们从一开始就不需要暴胀了。还记得吗？引入暴胀的全部动机就是解释我们可观测的宇宙为何拥有这些性质；如果我们要求宇宙有同样的性质才能开始暴胀，区别只是需要的空间范围小了一点的话，那么这可算不得什么进步。

然而，这些问题只是我们麻烦的开始。不仅暴胀需要的初始条件很难获得，而且暴胀一旦开始便停不下来。这个症结要归咎于时空的量子扰动。它们导致暴胀场的强度各处不同，从而使得空间中有些点比其他点更早结束暴胀。顷刻间，停止暴胀的区域会被继续暴胀的区域包围而萎缩。这个过程反复发生。在大多数膨胀的区域，暴胀场强度的变化将使得能量密度降低，令暴胀结束，但少数大幅量子跳跃会在某些区域令暴胀持续下去，并不断产生出暴胀得更厉害的区域。然后，这个过程便会无休止地持续下去。

暴胀将以这种方式永远持续，产生无数块已结束暴胀的空间，每块空间都创造出一个自己的宇宙。只有在这些已结束暴胀的空间中，空间膨胀速率才能变得足够缓慢，从而能够形成星系、恒星、行星和生命。这也暗示，由于量子涨落固有的随机效应，每块空间都有着不同的宇宙学性质。通常说来，大多数宇宙不会是平坦或没有弯曲的，物质的分布不会近乎均匀，宇宙微波背景辐射上热点和冷点的分布模式也不会近标度不变。这些空间给出了无数种不同的可能结果，没有哪块空间比其他空间出现的几率更大，我们的宇宙也一样。这个结果就是宇宙学家所称的多重宇宙（也许称为多重混乱更恰当）。由于每块空间都可拥有任何物理上可能的特性，多重宇宙不能解释为什么我们的宇宙具有我们所观测到的这些非常特殊的条件——这些条件只不过是我们这片特定空间偶然出现的特征罢了。

鉴于所有这些问题，暴胀根本不曾发生的观点值得我们仔细考虑。如果我们往回追溯，在逻辑上似乎有两种可能性。要么宇宙有一个开始，我们一般称之为“大爆炸”；要么没有开始，所谓的大爆炸其实是一次“大反弹”，即从之前的某种宇宙学相到现在的膨胀相的一次转变。虽然大多数宇宙学家假设有一个爆炸，但目前还没有任何证据能辨别137亿年前发生的到底是爆炸还是反弹。然而，与爆炸不同，反弹不需要后期的暴胀来创造我们现在所看到的宇宙，所以反弹理论意味着脱离暴胀范式的一个巨大转变。

最近的研究已经给出了描述宇宙如何从收缩相到膨胀相转变的初步详细方案，使得我们有可能构造出完整的反弹宇宙学理论。

考虑到暴胀的问题和反弹宇宙的可能性，你可能会期待科学家来一场大讨论，根据当前的观测数据，弄清楚到底哪种理论是正确的。但有一个问题：暴胀宇宙学，按照我们目前的理解，不能用科学方法来评估。正如上文讨论过的，如果我们改变初始条件、改变暴胀能量密度曲线的形状，暴胀的结果就能轻易改变——你可能还记得永恒暴胀和多重混乱。这些特点使暴胀理论极富弹性，以至于没有实验能对它提出反证。

有些科学家接受暴胀是不可被检测的，但拒绝放弃它。他们还提出，科学本身必须改变，应该抛弃科学的标志性特点：可检测性。这个主张已经引发了此起彼伏的关于科学本质及其新定义的讨论，并促使某些非实验主义科学的理论抬头。

一个普遍的误解是实验可以用来证伪一个理论。实际上，一个失败的理论会由于人们试图不断修补它而变得对实验越来越有免疫力。这个理论会变得更加复杂、微调程度更高来适应新的观测，直到它（对观测）的解释能力消失殆尽。一个理论的解释能力是由它能排除多少可能性来衡量的。免疫程度越高意味着能排除的越少，以及解释能力越差。像多重混乱这样一个理论不能排除任何事情，因此没有解释能力。将一个空洞的理论宣告成为无可争议的标准观点需要一些非科学的担保。既然没有先知，唯一的替代办法是求助于学术权威。历史告诉我们这条路是错误的。

今天的我们很幸运，观测为我们暴露出了尖锐的、根本性的问题。主流理论的失败，给了我们一个取得理论突破的历史性机遇。我们应当承认宇宙学仍然是有讨论余地的，而不是给早期宇宙这本书画上句号。

（Scientific American 中文版《环球科学》授权南方周末发表，有删节，邱涛涛翻译，蔡勇、朴云松审校）