一种更简单的宇宙理论

我们生活在探索宇宙的一个黄金时代。那些最强大的望远镜，揭示了宇宙在最大的可见尺度上，出乎意料的简单。而在最小的尺度上，最强大的“显微镜”——大型强子对撞机（LHC）还未发现与已知物理学存在偏差的迹象。

然而，这些发现并不是大多数理论物理学家所期望的。这是因为，占主导地位的理论方法预测了宇宙在小尺度上是非常复杂的，而在大尺度上则是完全混乱的。这个主导理论结合了弦理论（一个强大的数学框架，但迄今还没有成功的物理预测）和宇宙暴胀（指宇宙在非常早期阶段的急剧膨胀）。

理论物理学家期待的复杂性有着各种可能令人眼花缭乱的形式。在此基础上，尽管缺乏观测证据，许多理论物理学家仍提出了“多重宇宙”的概念——一个由许多宇宙组成的不受控且不可预测的宇宙，每个宇宙都有完全不同的物理性质和规律。

但目前的观测结果表明情况恰恰相反。我们该如何解读这种差异呢？一种可能性是，宇宙表面上的简单性仅仅是我们今天所能探测的有限尺度的偶然现象，当观测与实验达到足够小或足够大的尺度时，预期中的复杂性就会显现。

另一种可能性是，宇宙确实是非常简单的，在最大和最小的尺度上都是可预测的。我认为这种可能性应该被更加认真地对待。因为，如果这是真的，我们可能比我们想象的更接近于理解宇宙中的那些最基本的谜题。其中的一些答案可能已经摆在我们面前。

  弦与暴胀的问题  

目前的“正统理论”是成千上万的理论物理学家几十年努力的结晶。弦理论表明，宇宙的基本构成是微小的、振动的弦。根据目前的理解，这个理论只有在比我们所体验的三维空间更高的空间维度中才成立。因此，弦理论学家认为，我们之所以无法探测到它们是因为它们非常小，而且是卷曲的。

但这所带来的问题就是，弦理论很难被实验检验，因为这些小维度的卷曲方式多到几乎难以想象，每一种方式在剩下的大维度上都给出了一套不同的物理定律。

与此同时，宇宙暴胀是20世纪80年代提出的一种理论，用来解释为什么宇宙在我们所能看到的最大尺度是如此平滑、平坦。这个理论认为，在宇宙的极早期，它经历了一次指数式的膨胀，使它的尺寸暴增，并变得平滑和平坦，与我们今天所观测的一致。

暴胀理论也很受欢迎，因为它可能解释了为什么早期宇宙的能量密度在不同地方略有不同。这一点很重要，因为密度更大的区域后来会在自身引力的作用下坍缩，从而为星系的形成埋下种子。

在过去的30多年里，通过绘制宇宙微波背景（由大爆炸产生的辐射）和星系的三维分布，我们对密度变化的测量越来越精确。

在大多数暴胀模型中，早期的极端膨胀爆发使宇宙变得平滑和平坦，也产生了长波引力波（时空结构中的涟漪）。一旦这种波被探测到，就是一个确凿的信号证明暴胀确实发生过。然而，到目前为止，我们还没有发现任何这样的信号。相反的是，随着实验的稳步改进，越来越多的暴胀模型被一一排除。

此外，在暴胀过程中，空间的不同区域的膨胀量也非常不同。在非常大的尺度上，这会产生一个暴胀后宇宙的多元宇宙，其中的每个宇宙都有不同的物理性质。

宇宙暴胀模型所描绘的宇宙历史。（图/Wikipedia）

暴胀模型是基于现有能量形式和初始条件所做的假设。虽然这些假设能解决一些难题，但也会产生一些别的问题。弦理论学家和暴胀理论家都希望，在巨大的暴胀多元宇宙的某个地方，存在着一个时空区域，这个区域的属性正好与我们所看到的宇宙相符。

然而，即使这是真的（目前还没有发现这样的模型），对理论的公平比较应该包含“奥卡姆因素”，也就是对奥卡姆剃刀的量化，它在具有许多参数和可能性的理论和更简单、更有预测性的理论中，偏向于选择后者。忽略奥卡姆因素，就等于假设除了复杂的、不可预测的假设之外，没有其他选择——我认为这种说法没有什么依据。

在过去的几十年里，有很多实验和观测可用于揭示弦理论或暴胀理论的特定信号。但目前为止还没有任何发现。一次又一次，观测结果都显示出比预期的更简单、更朴实无华。

我认为现在是时候承认这些失败，并从中吸取教训，开始认真寻找更好的替代方案了。

  更简单的选择  

最近，我与同事Latham Boyle试图建立更简单、更可检验的理论，以摆脱暴胀理论和弦理论。我们试图根据观测结果给出的提示，用最少的理论假设来解决一些最深奥的宇宙谜题。

我们的一些初期尝试所取得的成功已经远超我们最乐观的希望。时间将证明它们能否经受住进一步的检验。然而，已取得的进展使我相信，除了标准的、正统理论之外，很可能还有其他的选择，而标准的正统理论已成为我们需要打破的束缚。

我希望我们的经验能鼓励其他人，尤其是年轻的研究人员，在观测结果的简单性的强烈指导下，探索新的方法，并对前辈们的预想持怀疑态度。而最重要的是，我们必须从宇宙中学习，让我们的理论去适应宇宙，而不是反其道而行。

Boyle和我开始着手解决的是宇宙学中最大的悖论之一。如果我们按照爱因斯坦的引力理论和已知的物理学定律，在时间上反向追溯膨胀宇宙的起源，会发现空间最终会缩小到一个点，即“初始奇点”。

包括诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）在内的理论学家，都试图弄清楚这个无限稠密、炙热的开端，他们指出，在控制光和无质量粒子的基本定律中，存在着一种深度对称。这种对称被称为“共形”对称，意味着光和无质量粒子都不会在大爆炸时经历空间的收缩。

利用这种对称，我们可以沿着光和粒子一路回到最初。通过这样做，Boyle和我发现我们可以把最初的奇点描述为一面“镜子”：时间的一个反射边界（时间在“镜子”的一边向前移动，在另一边向后移动）。

镜像宇宙，大爆炸位于中心。（图/Neil Turok）

把大爆炸想象成一面镜子，可以巧妙地解释宇宙的许多特征，这些特征在其他设想下可能会与最基本的物理学定律相冲突。例如，对于每一个物理过程来说，量子理论都允许一个“镜像”过程，在这个过程中，空间是颠倒的，时间是逆向的，每个粒子都被它的反粒子（一种在几乎所有方面都与它相似，但所携带的电荷与之相反的粒子）所取代。

根据这种被称为CPT对称的强大对称性，“镜像”过程应该以与原始过程完全相同的速率发生。但关于宇宙的一个最基本谜题是，它似乎违反了CPT对称，因为时间总是向前跑的，粒子是比反粒子多的。

我们的镜像假说恢复了宇宙的对称性。当你照镜子时，你会在镜子的后方看到你的镜像：如果你是左撇子，那么你的镜像就是右撇子，反之亦然。你与你的镜像的组合，比你独自一人更为对称。

同样地，当Boyle和我通过大爆炸反推我们的宇宙时，我们发现了它的镜像——一个爆炸前的宇宙，在这个宇宙中，时间相对于我们来说是倒退的，反粒子的数量超过了粒子。要使这幅图景成真，我们不需要镜像中宇宙在经典意义上是真实的（就像你在镜子中的镜像不是真实的一样）。支配着由原子和粒子构成的微观世界的量子理论挑战着我们的直觉，所以在这一点上，我们能做的最好的事情就是把镜像宇宙想象成一个数学装置，它能确保宇宙的初始条件不违反CPT对称。

令人惊讶的是，这幅新的图景为未知的宇宙成分——暗物质的性质提供了重要线索。中微子是非常轻的、像幽灵一样的粒子，它们通常以接近光速的速度运动，并像微小的陀螺一样旋转。如果你用左手拇指指向中微子运动的方向，那么你的四个手指指向的就是中微子旋转的方向。被观测到的、轻的中微子被称为“左旋”中微子。

重的、“右旋”中微子则从未被直接观测到过，但它们的存在是从被观测到的轻的、左旋中微子的性质中推断出来的。稳定的右旋中微子将是暗物质的完美候选，因为除了引力之外，它们不与其他任何已知的力耦合。在我们的研究之前，没有人知道这样的粒子是如何在炙热的早期宇宙中产生的。镜像假说使我们能够准确地计算出有多少这样的粒子形成，并能证明它们可被用于解释宇宙暗物质。

一个可被验证的预测随之而来：如果暗物质是由稳定的右旋中微子构成的，那么在我们所知道的三种轻中微子中，就有一种必须是完全没有质量的。值得注意的是，这一预测现在正被一些大尺度星系巡天对物质引力聚集的观测所检验。

  宇宙的熵  

受到这个结果的鼓舞，我们开始着手解决另一个大难题：为什么宇宙在可见的最大尺度上是如此均匀，且空间是平坦而非弯曲的？宇宙暴胀假说正是理论学家为了解决这个问题而提出的。

熵是一个概念，它量化了物理系统可以被以不同方式进行排列的数量。例如，如果我们把一些空气分子放在一个盒子里，那么最有可能的构型是能够使熵最大化的——这些分子能大致平滑地分布在空间中，或大致平均地分享总能量。这类论证被用在统计物理学中。统计物理学是一个我们用于理解热、功和热力学的基础的领域。

物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）及其合作者的一项壮举是将统计物理学推广到了万有引力。通过一个优雅的论证，他们计算出了黑洞的温度和熵。而Boyle和我则利用镜像假说，成功地将他们的论证扩展到宇宙学，并计算了整个宇宙的熵。

令我们惊讶的是，拥有最高熵的宇宙（意味着它的可能性最高，就像盒子里的原子一样）是平坦的，并且以加速的速率膨胀，这一点与真实的宇宙一样。所以统计学的论点解释了为什么宇宙是平坦光滑的，并且有一个小的正加速膨胀，而无需涉及宇宙暴胀。

在我们的对称镜像宇宙中，通常被归因于暴胀的原初密度变化是如何产生的？最近，我们证明了由一种特定类型的量子场（零维场）所产生的密度变化类型，与我们观察到的完全相同，同样不涉及暴胀。重要的是，这些密度变化并不伴随暴胀所预测的，且至今仍不见踪影的长波引力波。

这些结果非常鼓舞人心。但要证明我们的新理论在数学上是坚实的、在物理上是真实的，还需要进行更多的工作。

即使我们的新理论失败了，它也给我们上了宝贵的一课。对于宇宙的基本特性，很可能有比标准的正统理论更简单、更有力、更可检验的解释。

面对宇宙学的深奥难题，在观测和探索那些尚未触及的方向的指导下，我们或许能为基础物理学和对宇宙的理解奠定更加可靠的基础。