宇宙的起点不是奇点？_风闻

原创：牧夫天文

翻译：陈艳玲

校译：牧夫校对组

编排：陶邦惠

原文链接：

https://www.evernote.com/shard/s520/sh/fe518136-01fa-41fb-ba2e-fd8b79c47501/  e0c97e3db85b4c65eb3544770cc508a8

为什么我们不能回溯到奇点?

大爆炸理论并不是阐述大爆炸本身的理论，而只是阐述大爆炸后结果的理论。

——阿兰·古斯

宇宙不是安静地诞生的，而是在一次剧烈的爆炸中诞生的！

现在的主流理论是：宇宙和一切的一切在大爆炸的一瞬间后才存在。空间、时间，以及一切的物质和能量都来自于奇点，然后在爆炸后渐渐膨胀冷却，导致了几十亿年后分布在数百上千亿光年内的原子、恒星、星系、星系团的诞生，它们构成了我们今天看到的可观测宇宙。

这个引人入胜的优美理论仿佛完美地解释了宇宙的一切，从现在由两万亿星系构成的宇宙大尺度结构，到弥漫整个宇宙空间的辐射残余（宇宙微波背景辐射）。但是，大爆炸认为宇宙都起源于奇点爆炸的理论是错的，科学家们在40年前就知道了这件事。

科学家维斯托·斯里弗首先注意到，离我们越远的星系，离开我们的速度就越快。这种现象若干年都没能得到解释，直到哈勃的观测结果让我们能够结合这些观测证据得到结论：宇宙正在膨胀。[来源出处: Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403.]

大爆炸理论最早于1920和1930年代被提出。当我们遥望那些遥远的星系时，我们会发现一些奇特的现象：离我们越远的星系，星系退行速度就越快。根据爱因斯坦广义相对论的预测，一个静态的宇宙应是引力不稳定的，宇宙中的一切不是相撞就是远离彼此。现在对明显的退行速度的观测告诉我们今天的宇宙正在膨胀，如果物体随着时间推移会远离彼此，就意味着在遥远的过去它们曾经离彼此很近。

在宇宙中看得更远，相当于更早的宇宙，更早的宇宙更热更密且演化得更少。[来源出处：NASA / STScI / A. Felid.]

正在膨胀的宇宙不仅意味着物质随着时间增长而离彼此越来越远，也意味着更早的宇宙可探测光的波长的范围越广。由于波长决定能量（波长越短能量越大），意味着宇宙早期更热，随着时间流逝才逐渐冷却。由此推理可得在过去某个时期，宇宙热到不能产生中子。

如果这个宇宙图景是正确的，现在我们将会在各个方向看到当年辐射的残余，它们应该已经冷却到只比绝对零度高几度。而人类确实探测到了这样的残余辐射——于1964年由阿诺·彭奇亚斯和罗伯特·威尔逊发现的宇宙微波背景辐射是对大爆炸理论的证实。

根据彭齐亚斯和威尔逊的原始观测数据，银道面发出了一些来自宇宙天体的辐射（中间那条亮线），但是在亮线以上和以下，剩下的是一个接近完美的、均匀的背景辐射。[来源出处：NASA / WMAP Science Team.]

如果继续不断地推理宇宙更早期的样子，你就会发现：宇宙曾存在一个时期，那时很热以至于不能产生原子核，高温会分离任何结合在一起的质子和中子；在此之前，物质和反物质会成对产生，因为宇宙充满能量以至于成对的粒子和反粒子可以同时产生；更早以前，由于那时的温度和密度都很高以至于宇宙的密度会比原子核的内部还要高，独立的质子和中子分解成夸克-胶子等离子体。

最终，在最早的时候，宇宙的密度和温度都达到无穷大时，就像所有宇宙中的物质和能量都被包含在奇点里。此时在奇点，物理定律已不适用。奇点被当做空间和时间的开端。这是大爆炸理论的最终思想。

如果我们一路回溯，我们会得到宇宙更早、更热、更密时的状态。那么倒退到最开始，是否这一切真的都来自于奇点，那个一切物理定律都不适用的地方？[来源出处：NASA / CXC / M.Weiss.]

当然，除了奇点的存在未被证实，奇点之后发生的一切都被证实是真的。

我们已经在实验室创造出了夸克-胶子等离子体；也创造出了物质-反物质对；我们根据大爆炸理论计算在宇宙早期哪些光会产生，会产生多少，并通过测量验证观测结果满足计算结果；我们测量了宇宙微波背景辐射的涨落，并观察这些像恒星和星系的引力结构是如何产生并发展的。

无论我们将目光投向何处，我们都可以找到理论与观测相符的证据，大爆炸理论看上去是个完美的理论。

宇宙微波背景辐射的密度涨落是形成现在宇宙结构，包括恒星、星系、星系团、纤维和大尺度宇宙空洞的起源。[来源出处: Chris Blake and Sam Moorfield.]

然而，有一些应该由大爆炸理论产生的现象却没发生，具体如下：

01

尽管数十亿光年远的某个区域自大爆炸以来并没有足够的时间与相反方向另一个数十亿光年开外的区域发生相互作用或者交换信息，宇宙不同方向上的温度竟然并没有不同。这就是因果性问题[1]。

02

宇宙保持完全平直需要在初始膨胀以及物质-辐射密度之间找到一个非常完美的平衡，这个条件是非常苛刻的，然而宇宙各处竟然没有测量到不为0的曲率。

03

宇宙没有任何来自最早期时超高能量残留的遗迹，尽管宇宙在极高温时这些遗迹理应存在。

“暴胀理论”的提出

针对上述问题，理论学家开始思考其他可能取代大爆炸理论中“奇点”的可能，这种可能在规避上述问题的同时，也要能够产生极热、高密度、膨胀并逐渐冷却的状态。1979年12月，阿兰·古斯提出了一种可能的解决方式。

在一个膨胀的宇宙中，存在属于宇宙本身的能量导致其指数膨胀。暴胀在任何时候停止的概率都不为零（在图中被标记为“X”的地方就是暴胀停止了），导致了宇宙早期处于一个极热，高密度、充斥着物质和辐射的状态。但是在那些没有停止暴胀的地方仍在膨胀。[来源出处：E. Siegel / Beyond The Galaxy]

除了极热、高密的状态，宇宙还可能从一种没有物质、没有辐射、没有反物质、没有中子、没有粒子的状态中诞生。

所有在宇宙中存在的能量都包含于宇宙自身的结构中：一种真空能量，会导致宇宙以指数速度膨胀。在这个宇宙状态中，量子涨落仍会继续存在，宇宙也会继续膨胀，这些涨落会继续延伸至整个宇宙，使有些区域的能量稍微大于平均能量密度，而有些稍小于平均能量密度。

最后，当这一时期——暴胀时期结束时，那些能量会转变成物质和能量，产生和大爆炸理论里类似的热而密的状态。

量子涨落是空间固有的，在宇宙暴胀时扩展到整个宇宙，导致宇宙微波背景辐射中的密度起伏。[来源出处：E. Siegel, with images derived from ESA /Planck and the DoE/ NASA/ NSF interagency task force on CMB research.]

这看上去是一个令人信服但难以验证的假说，但是确实有方法验证这一假说。我们可以测量大爆炸中残留辐射中的涨落，并且证明它们的曲线特征符合“暴胀假说”。

并且，这些涨落在强度上应该极其微小：小到宇宙永远不可能达到能够产生高能遗迹的温度，并比奇点假说中所述的温度和密度小得多。在1990、2000及2010年代，我们分别详细地测量了这些涨落。

由COBE（大尺度），WMAP（中等尺度），Planck（小尺度）测量到的宇宙微波背景辐射的涨落。这些涨落不仅与它们来自尺度不变的量子涨落的推测相符，而且涨落幅度很小说明它们不可能使从极热，高密的状态中产生的。[来源出处：NASA / WMAP science team.]

我们就此得出结论：热大爆炸一定发生了，但回溯到最开始的状态不一定是极热高密的。相反，最早期的宇宙经历了这样一段时期：所有的能量都转化成了能量和物质，而现在这些能量和物质与宇宙结构有密切关系。

那个被称作宇宙暴胀的时期，结束后导致了热大爆炸，但是从来没有产生极热高密的状态，也没有产生奇点。在暴胀之前发生了什么，又或者暴胀在过去是不是永恒的——仍是未解之谜。

但是有一件事情是确定的，从奇点大爆炸并不是宇宙的开始！

[1] ：我们无论何时，都不可能观测到整个宇宙，因为宇宙中有信息传递速度的上限，这样会有粒子视界。然而粒子视界之外的区域不一定永远观测不到，比如我们现在的可观测宇宙，有些地方在之前观测不到，而现在可以观测，这就说明宇宙中的因果关系区域也有一个最大限度。

要使宇宙中任何地方的温度相同，就需要光子在宇宙中交换能量，但是光子在传播过程中会与等离子体相互作用而散射，光子传播不了很远。

综上，按照大爆炸理论，极早期宇宙很多地方没有因果关系，然而这些没有因果关系的区域温度却偏偏相同，这是大爆炸理论不可解释的地方。

『天文时刻』 牧夫出品

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星系演化的跟踪动画

来源：Donna Cox (AVL NCSA/U. Illinois) etal., NASA’s GSFC, AVL, NCSA