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戳破宇宙暴胀:宇宙学家深信不疑的「暴胀理论」会是答案吗?



翻译:李沃龙

在举行的国际记者会中,欧洲太空总署(ESA)公布了普朗克卫星最新观测结果。这颗探测卫星观测130多亿年前在大霹雳发生后不久发出的光子,以前所未有的精确度描绘宇宙微波背景(CMB)辐射分布图。科学家宣称,新的CMB分布图证实了35年来宇宙学家极重视的「暴胀理论」:宇宙诞生自大霹雳之后,随即在很短的时间内急遽膨胀。这段过程几乎澈底铺平了宇宙,直到百亿年后在任何地点往各方向看,宇宙都保持近乎均匀且「平坦」,不像球体般弯曲;然而物质密度分布仍有极细微的差异,可以解释为何有星球、星系和星系团等阶层结构存在。

记者会主要目的是:宣告普朗克卫星的数据完美符合最简单暴胀模型的预测,强化暴胀理论根基稳固的形象。研究团队似乎暗示我们已为宇宙学这本书写下结局,并即将阖上。

该声明发表后,我们(本文三位作者)在美国哈佛史密森尼天文物理中心讨论这项宣示可能带来的影响。伊雅斯当时是来自德国的访问研究生;斯坦哈特是30年前暴胀理论的创建者之一,但他后续的研究却指出该理论的根基问题重重,那时他轮休,正在哈佛大学担任访问学者;哈佛大学天文系主任罗布则担任东道主。我们都认同普朗克团队的观测谨慎又精準,却不同意他们的诠释。若真要说任何值得关注之处,我们认为普朗克卫星的数据并不支持最简单的暴胀模型,反倒加剧了长久以来该理论根基的问题,好让我们再次考量其他可相抗衡的宇宙起源与演化概念。

之后,普朗克卫星又累积了更多精确的数据,然而综合其他仪器的测量结果,只益发突显暴胀理论的问题。不过宇宙学社群至今仍未冷静、诚实检视暴胀理论,亦未严肃正视关于暴胀是否发生的质疑。相反地,不少宇宙学家似乎对暴胀理论深信不疑,因为只有它能对已观测到的宇宙性质提出简单解释。但我们即将说明,普朗克卫星的数据与理论上的问题,已撼动了暴胀理论的基础。

暴胀理论有缺陷

为了阐明暴胀模型的问题,我们先依循倡议者的主张:假设暴胀毫无疑问曾发生。并假想有位「全知者」宣称,暴胀必定发生于大霹雳后不久。我们可以从中得知哪些关于宇宙演化的资讯?假如暴胀真的可以提供宇宙演化一个简单的解释,我们势必能期盼在普朗克卫星的观测数据中,看到许多与全知者宣称吻合的相关性质。

至少有件事可以确定:在大霹雳后不久,一小块空间内满是特殊型式的能量,导致空间急遽加速膨胀(称为「暴胀」)。多数我们熟知的能量型式,例如物质与辐射带有的能量,都会因为重力而抗拒并减缓宇宙的膨胀;相反地,如果暴胀要发生,宇宙必须充满引发斥力的高密度能量,才能加速膨胀。但关键是,这种暴胀能量纯然出于假设,没有直接证据证明它必定存在。此外,在过去35年里科学家提出数百种理论,试图定义暴胀能量的型式,每一种的暴胀速率与整体的空间拉扯程度皆大不相同。因此,暴胀理论具有高度弹性、包含许多可能性,显然不够精确。

若不论暴胀能量的型式,我们可以从全知者的宣称里,了解暴胀模型的共通特性吗?首先,根据基础量子物理,暴胀结束时宇宙各处的温度与物质密度应不尽相同。在暴胀时,次原子尺度下暴胀能量中的随机量子涨落,会被拉扯成许多带有不同能量的宇宙尺度区域。根据暴胀理论,当暴胀能量转变成普通物质与辐射时,加速膨胀的过程便结束。暴胀能量密度(每立方公尺的暴胀能量)较高的区域,加速膨胀会持续较久;暴胀结束后,该处的温度和物质密度就会稍高。量子效应引起的暴胀能量差异,将成为CMB分布图上的热点与冷点,记录了那些时刻的变动。在接下来137亿年里,宇宙中物质密度与温度的微小差异将受重力影响,形成星系及大尺度结构。

这个说法虽有些模糊,却是好的开始。我们可以藉此预测星系的数量与分布、空间弯曲和变形的程度吗?又有多少物质或其他型式的能量组成了今日的宇宙?以上皆非。由于暴胀概念极具弹性,任何结果都有可能发生。暴胀是否能告诉我们大霹雳为何发生?或是最初启动暴涨的空间如何形成、最终演化成我们今天观测到的宇宙?答案仍旧为否。

就算暴胀真的发生过,我们还是无法预测普朗克卫星观测到的热点与冷点。根据普朗克卫星的CMB观测数据与先前的研究都指出,无论我们靠得多近,热点与冷点的分布型态几乎总是相同,科学家称此特性为「尺度不变性」。最新的普朗克数据显示,宇宙几乎达到完美的尺度不变性,仅偏离几个百分比;所有冷热点的平均温度变化也只差万分之一。

戳破宇宙暴胀:宇宙学家深信不疑的「暴胀理论」会是答案吗?

倡议者强调,从暴胀理论推导出的温度分布可以满足这些性质,但他们往往遗漏了一个关键:暴胀也容许其他偏离尺度不变性较多的冷热点分布存在,这些分布的温度差异通常远大于观测值。换言之,不论是尺度不变性、远离尺度不变性或任何介于两者之间的分布模式都有可能发生,取决于理论模型所假设的暴胀能量密度。因此,普朗克卫星的观测结果并不能做为暴胀发生的证据。

值得注意的一点是,如果暴胀真的发生过,我们就能在普朗克卫星的CMB观测数据里看到宇宙重力波的蹤迹。所有最简单型式的暴胀能量(包括那些写入教科书的)都会产生这种效应。随机量子涨落造成暴胀能量的随机差异,同时引起空间随机扭曲,并在暴胀结束时以波的型式传播出去。这些扰动称为重力波,是CMB分布图上冷热点的来源之一,不过重力波具有特殊的偏振模式(重力波驱使光波的电场沿特定方向振荡,取决于光来自热点、冷点,或介于其间)。

不幸的是,搜寻宇宙重力波的工作总是徒劳无功。虽然宇宙学家煞费苦心仔细搜寻,并早在1992年宇宙背景探测卫星(COBE),以及包括2015年普朗克卫星的一连串计画中观测到热点和冷点,但截至目前为止,宇宙学家从未侦测到因暴胀而产生的宇宙重力波。(,在南极的BICEP2团队宣称侦测到宇宙重力波,但当他们发现观测到的偏振效应,其实是由银河系内的尘埃所引起,便撤销该声明。)请注意:这些宇宙重力波与2015年雷射干涉仪重力波观测站(LIGO)侦测到黑洞合併所产生的重力波无关。

普朗克卫星的观测结果委实令人震惊,不论是CMB上冷热点分布意外接近完美的尺度不变性(只有几个百分比的偏差),或是侦测不到宇宙重力波的蹤迹,都是30多年来的观测首次对暴胀模型(包括教科书中描述的)提出严重质疑。理论学家当然立即修补暴胀理论的图像,却只搞出一些神秘难解的模型,并暴露出更多根本问题。




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