紫博論壇:這個宇宙起始於一個反彈而不是砰的一聲嗎？

這個宇宙起始於一個反彈而不是砰的一聲嗎？

Did the Universe Start with a Bounce Instead of a Bang?

對幾個物理學家，大爆炸並不是這個宇宙的開始。他們說，相反，這個宇宙在那個點之前遠伸進入過去以及在未來就已經存在。雖然今天的宇宙正在膨脹，在大爆炸之前的時代它一直在縮小的。在這張照片中，大爆炸並不是這麼大的一聲巨響而是一個反彈，一個當一個縮小的宇宙逆轉進程並開始了成長的時刻。根據他們的理論，這個宇宙可能再次反彈。今天的膨脹可能被遙遠未來的坍塌跟隨，緊接著另一個反彈。在20世紀30年代一些物理學家們首次提出了這個反彈可以是無限的，復活一個循環的宇宙學。當然，這是違背大多數宇宙學家看它的方式的，其中一切從大爆炸開始的︰從一個微小的極端密度和溫度的點，這個宇宙膨脹和冷卻，誕生恆星、星系和行星。大爆炸前呢？他們說什麼都沒有。

一些物理學家相信我們的宇宙不是爆炸成存在的，而是反彈但那個無窮的熱和密度的點怎樣來的仍然是一個懸而未決的問題。反彈理論可以承諾來解釋宇宙的起源。無論是一個單反彈還是無休止的反彈，少量的宇宙學家花了過去幾十年來擺弄這些想法。但對其他人，反彈理論只是推測的和有爭議的，而且對某些人來說，他們是名譽掃地和錯誤的。大爆炸和大反彈的擁護者之間的辯論大多圍繞膨脹的可行性，膨脹是主流的宇宙怎樣來成它現在的樣子的觀點。雖然任何宇宙學家會同意膨脹至少是不完整的，但絕大多數人認為它還是最佳的模型。儘管如此，反彈擁護者看這個模型中的基本缺陷。理論物理周邊研究所所長內爾圖羅克說，"膨脹並非做的太好的，它有過它的時代，當它發明於80年代初時它是有用的"。他說，但現在，我們需要一個新的理論，而這種理論可能是一個反彈的宇宙。一個宇宙的增長井噴標準的膨脹故事是這樣的︰大爆炸之後很快這個宇宙迅速的膨脹------遠遠快於正常的擴張。這個突然的增長對創造科學家今天所看到的光滑的、平整的、均勻的宇宙是必要的。宇宙學家早在八十年代初期發展了膨脹，在氣球實驗和衛星返回了越來越精確的關於早期宇宙的狀態的數據之前。這些觀察測量了來自大爆炸的殘留的輻射，一個無處不在的被稱為宇宙微波背景輻射的輝光。這個輻射被斑點分散開的，有一些比其它的更熱和更冷的點，一個因為這類斑塊的確切性質正是膨脹預言到了的吉祥的結果。膨脹也預言了宇宙的質量密度，還測量了來自宇宙微波背景的。麻省理工學院的物理學家和1980年第一位提出膨脹的阿蘭古斯說，"我們已經測量了質量密度到比0.5%更好的精度，它與膨脹預測的完全一致------這是只是華麗的"。麥吉爾大學的物理學家羅伯特·布蘭登伯格說，"真了不起的是這個簡單的膨脹的想法已經做了多少的"。雖然他正在探索膨脹的替代，但他說這個理論是存在的最自我一致的。"這是成功的因為它預測了很多東西------我強調預測了的。在我的職業生涯早期，我們沒有數據。我看到了膨脹通過更多的測試。儘管如此，雖然這些成功對膨脹一直超過鼓勵的，但這個證據尚未說服每個人。一個可能會平息一些持不同政見者的預測是檢測原始的引力波，空間和時間織造中的起源於早期宇宙中的引力場的波動的漣漪。它幾乎發生了︰在2014年3月，在南極的BICEP2實驗聲稱看到過這些引力波。但這個預示的發現當天文學家意識到了這個信號可能一直完全由於在星系中的塵埃時消失。"如果你有一種不能被反駁的理論，你應該對此不滿意的"。同樣膨脹不是沒有它的理論問題的。一些批評家說膨脹需要太專業的人為來真實的初始條件。為了讓膨脹啟動，早期宇宙必須是恰到好處。另一個爭論焦點是膨脹可能意味著一個無限數目的宇宙的存在。在20世紀80年代早期，物理學家發現了膨脹永遠進行下去的，只在某些空間區域停止。但在這些口袋之間，膨脹繼續的，比光的速度更快擴張。這些泡泡是因此封閉彼此分開的，有效的變得孤立的宇宙有它們自己的物理規律。根據這一理論，我們生活在這些泡泡之一中。雖然膨脹支持者擁抱這個所謂的多元宇宙，但批評者說是荒謬的。如果任何事情能發生在這些泡泡宇宙中，那麼科學預測變得毫無意義。圖洛克說，"如果你有一種不能反駁的理論，你應該不滿意與它的，這是與膨脹和多重宇宙的狀態，因此我想說這不是一個科學的理論"。甚至熱心的膨脹的支持者會同意這個理論是不完整的。它沒有說任何關於大爆炸本身時刻的事情，例如，當已知的物理學定律在所謂的一個奇點坍塌時。膨脹仍然缺乏的是一個更深的基礎。物理學家已經試圖把膨脹與弦理論鏈接------弦理論是所謂的一切的理論的最佳候選。但它仍然是一個進展中的工作。理論物理周邊研究所的斯蒂芬·傑爾倫說，"對膨脹，我們基本上用手添加東西並且我們說它工作的，但我們沒有更多的它會從哪裡來的理論理解"，他與圖羅克工作在反彈模型上。反彈的想法當物理學家們提出了一個循環的宇宙時，提出大爆炸並不是源自於20世紀前半的絕對的開端。但當時，沒有人理解這個宇宙怎樣可以從每一反彈進入和浮現的詳細信息。今天的物理學家仍有對他們割出的工作的，但現在他們都有現代粒子物理學與弦理論的所有工具。1992年，毛里齊奧加斯佩里尼和加布里埃維納首先用了這些現代觀念來重溫一個大爆炸前的宇宙。十年後，圖洛克和普林斯頓大學物理學家和膨脹的先驅者變成了批評家之一的保羅·斯坦哈特擴大了這項工作。他們已經自此成為兩個膨脹的最直言不諱的批評者和一個反彈的宇宙的擁護者。他們辯稱，一個反彈的宇宙能產生我們今天所看到的宇宙------但沒有膨脹。宇宙並不需要一段超擴展來達到我們今天看到的光滑、平坦的狀態，它能在收縮中這樣做的。因為每一個收縮的宇宙的角落彼此聯繫的，整個宇宙能融入一個均勻的溫度------再一次。就像我們今天看到它的。因為早期宇宙的這麼多的是未知的，宇宙學理論能寬廣的變化。例如，膨脹不是一個特定理論而是一類模型，每個有一點不同的細節。同樣，物理學家已經理論化了一個宇宙怎樣能反彈的多種方式。在一個被稱為一個物質反彈的案例中，宇宙只反彈一次。坍塌成反彈就像一個倒序的大爆炸一樣。另一個稱為一個突迸火模型的版本能是周期性的，帶有跟隨收縮後緊跟擴張後的收縮等等。這個變形的宇宙可能同樣的是周期的。幾乎所有的模型需要某種形式的新物理學。這些模型之間的差異取決於細節，無論是新的理論還是停止坍塌的慣性並指引宇宙通過反彈的物質的異域型。弄清楚在反彈發生了的擺出一個大挑戰，因為這一點是物理定律失敗的地方，就像它們在一個膨脹的宇宙開始一樣。在反彈，這個宇宙坍塌成一個奇點，其中愛因斯坦的引力理論、廣義相對論崩潰。相對論目前與量子力學不兼容，在奇點的小尺度需要量子力學。為了統一這兩個，物理學家們一直在尋找一個量子引力理論，這尚不存在的。然而在過去一年中，物理學家們已經宣稱了在怎樣來處理奇異性上有最謙虛的進展。圖洛克和傑爾倫已經概述了一個簡化的、宇宙的玩具模型怎樣可能經歷一個量子反彈的。一個只包含輻射的反彈的宇宙------並不是不像在大爆炸輻射佔主導地位的宇宙一樣------可以以一種像量子隧道效應一樣的方式穿越這個奇異性︰根據量子力學理論，一個粒子能自發地出現在一個障礙的否則在非量子物理學中不可穿透的另一邊的。一個坍塌的宇宙能像一個粒子和穿越這個障礙一樣的奇異性隧道一樣動作，出現在我們今天知道隨宇宙的膨脹的另一側------逃避這個奇異性問題。我們仍然遠離解決這個奇異性問題的。與此同時，斯坦哈特和普林斯頓大學的安娜·伊加斯已經提出了一種宇宙能不用引用量子力學反彈的一種方式。他們已經表明了一些異域的、負能量第一位可以阻止一個宇宙坍塌成一個奇點的。通過避免一個奇異性這個宇宙對量子力學永遠不會獲得足夠更小來發揮作用的，因此你不需要量子引力。宇宙然後繼續擴大。但是，布蘭登伯格說，雖然這兩項建議可能是一個小小的進步，但兩者都不標誌一個從之前已經做了的的根本的飛躍，我們仍然遠離解決這個奇異性問題的。他說，"如果我們通過引用異域物質解決奇異性問題，這個問題只是被歪曲了"。換句話說，不是解釋這個奇異性，而是你現在必須來解釋這個異域物質。根據古斯，沒有新的物理學一個反彈看來不可能的。人們不得不採取相當特殊的特徵，他說，"人們會不得不來在底層物理學定律中假定來使反彈可能的。"對我來說，這似乎不像是一個好的賭注"。圖洛克說，但來判斷仍是太早的。理論還不夠成熟到可以測試的。不過，最終，模型可以開始做預測。未來，更加詳細的宇宙微波背景輻射的測量可能支持一個膨脹的特定模型或一個反彈的宇宙。也許最有前途的證據會來自原始的引力波的形式，這是關於在宇宙大爆炸（或反彈）之後時刻發生了的最佳指標。根據這些波看起來像的，研究人員能開始排除反彈宇宙和膨脹的模型。雖然在2014年的BICEP2的發現讓人虛驚一場，但研究人員希望其它的儀器將成功，包括它的後繼者BICEP3。阿塔卡馬B模式搜索現在正在智利的阿塔卡馬沙漠運轉，研究者們正在計劃用例如原始膨脹極化器，探索器、立方體和北極熊的名字來命名未來實驗的。正確的路徑然而，在最後，它可能不是簡單的歸結為一個反彈模型或膨脹之間的非此即彼的選擇的，即使反彈模型的擁護者把他們的想法賣為一種替代。愛丁堡大學的宇宙學家安德魯·利德爾說，"他們正在做的是比他們會讓你所想的遠更密切的關聯到膨脹的，我不認為它是那樣一個激進的離開"。他說，在反彈模型中使用的許多數學工具是類似於那些用於膨脹的的。並且當你應用像宇宙微波背景輻射一樣的觀測時，反彈模型和膨脹給出類似的結果。加州理工學院的物理學家肖恩·卡羅爾說，你能甚至既有反彈又有膨脹的。"現在，社會學上，很多研究反彈宇宙學的人這樣做因為他們感興趣於發現一個膨脹的替代，那很好的，但如果你只是說了沒有任何預先存在的議程宇宙有一個反彈、如果是這樣它也可能涉及膨脹嗎？我認為你會說肯定的"。儘管如此，反彈擁護者和最直言不諱的膨脹支持者之間的辯論能有爭議的，每個有點不屑一顧另一邊的。這個衝突是一個提醒，科學------也許理論物理學，尤其是一個終極的人類奮進，充滿了自我意識和主觀性。遺產與諾貝爾獎可能面臨危險的。卡羅爾說，"在沒有數據的情況下，你的觀點讓你受到歡迎------你的觀點是你的全部，所有的這些想法具有重大的挑戰並且在它們的旁邊有問號。雖然一個問題可能對一個人是交易切斷器，但它對另一個人只是一個小的絆腳石。當點亮一個新的線索時，正確的道路往往是主觀的。馬庫斯·胡（MarcusWoo）是基於三藩市灣區的自由職業科學作家。他已經為連線、新科學家和BBC地球未來還有其他的寫作。
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