宇宙的起點不是奇點？_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：陳豔玲

校譯：牧夫校對組

編排：陶邦惠

原文鏈接：

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

為什麼我們不能回溯到奇點?

大爆炸理論並不是闡述大爆炸本身的理論，而只是闡述大爆炸後結果的理論。

——阿蘭·古斯

宇宙不是安靜地誕生的，而是在一次劇烈的爆炸中誕生的！

現在的主流理論是：宇宙和一切的一切在大爆炸的一瞬間後才存在。空間、時間，以及一切的物質和能量都來自於奇點，然後在爆炸後漸漸膨脹冷卻，導致了幾十億年後分佈在數百上千億光年內的原子、恆星、星系、星系團的誕生，它們構成了我們今天看到的可觀測宇宙。

這個引人入勝的優美理論彷彿完美地解釋了宇宙的一切，從現在由兩萬億星系構成的宇宙大尺度結構，到瀰漫整個宇宙空間的輻射殘餘（宇宙微波背景輻射）。但是，大爆炸認為宇宙都起源於奇點爆炸的理論是錯的，科學家們在40年前就知道了這件事。

科學家維斯托·斯里弗首先注意到，離我們越遠的星系，離開我們的速度就越快。這種現象若干年都沒能得到解釋，直到哈勃的觀測結果讓我們能夠結合這些觀測證據得到結論：宇宙正在膨脹。[來源出處: Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403.]

大爆炸理論最早於1920和1930年代被提出。當我們遙望那些遙遠的星系時，我們會發現一些奇特的現象：離我們越遠的星系，星系退行速度就越快。根據愛因斯坦廣義相對論的預測，一個靜態的宇宙應是引力不穩定的，宇宙中的一切不是相撞就是遠離彼此。現在對明顯的退行速度的觀測告訴我們今天的宇宙正在膨脹，如果物體隨着時間推移會遠離彼此，就意味着在遙遠的過去它們曾經離彼此很近。

在宇宙中看得更遠，相當於更早的宇宙，更早的宇宙更熱更密且演化得更少。[來源出處：NASA / STScI / A. Felid.]

正在膨脹的宇宙不僅意味着物質隨着時間增長而離彼此越來越遠，也意味着更早的宇宙可探測光的波長的範圍越廣。由於波長決定能量（波長越短能量越大），意味着宇宙早期更熱，隨着時間流逝才逐漸冷卻。由此推理可得在過去某個時期，宇宙熱到不能產生中子。

如果這個宇宙圖景是正確的，現在我們將會在各個方向看到當年輻射的殘餘，它們應該已經冷卻到只比絕對零度高几度。而人類確實探測到了這樣的殘餘輻射——於1964年由阿諾·彭奇亞斯和羅伯特·威爾遜發現的宇宙微波背景輻射是對大爆炸理論的證實。

根據彭齊亞斯和威爾遜的原始觀測數據，銀道面發出了一些來自宇宙天體的輻射（中間那條亮線），但是在亮線以上和以下，剩下的是一個接近完美的、均勻的背景輻射。[來源出處：NASA / WMAP Science Team.]

如果繼續不斷地推理宇宙更早期的樣子，你就會發現：宇宙曾存在一個時期，那時很熱以至於不能產生原子核，高温會分離任何結合在一起的質子和中子；在此之前，物質和反物質會成對產生，因為宇宙充滿能量以至於成對的粒子和反粒子可以同時產生；更早以前，由於那時的温度和密度都很高以至於宇宙的密度會比原子核的內部還要高，獨立的質子和中子分解成夸克-膠子等離子體。

最終，在最早的時候，宇宙的密度和温度都達到無窮大時，就像所有宇宙中的物質和能量都被包含在奇點裏。此時在奇點，物理定律已不適用。奇點被當做空間和時間的開端。這是大爆炸理論的最終思想。

如果我們一路回溯，我們會得到宇宙更早、更熱、更密時的狀態。那麼倒退到最開始，是否這一切真的都來自於奇點，那個一切物理定律都不適用的地方？[來源出處：NASA / CXC / M.Weiss.]

當然，除了奇點的存在未被證實，奇點之後發生的一切都被證實是真的。

我們已經在實驗室創造出了夸克-膠子等離子體；也創造出了物質-反物質對；我們根據大爆炸理論計算在宇宙早期哪些光會產生，會產生多少，並通過測量驗證觀測結果滿足計算結果；我們測量了宇宙微波背景輻射的漲落，並觀察這些像恆星和星系的引力結構是如何產生並發展的。

無論我們將目光投向何處，我們都可以找到理論與觀測相符的證據，大爆炸理論看上去是個完美的理論。

宇宙微波背景輻射的密度漲落是形成現在宇宙結構，包括恆星、星系、星系團、纖維和大尺度宇宙空洞的起源。[來源出處: Chris Blake and Sam Moorfield.]

然而，有一些應該由大爆炸理論產生的現象卻沒發生，具體如下：

01

儘管數十億光年遠的某個區域自大爆炸以來並沒有足夠的時間與相反方向另一個數十億光年開外的區域發生相互作用或者交換信息，宇宙不同方向上的温度竟然並沒有不同。這就是因果性問題[1]。

02

宇宙保持完全平直需要在初始膨脹以及物質-輻射密度之間找到一個非常完美的平衡，這個條件是非常苛刻的，然而宇宙各處竟然沒有測量到不為0的曲率。

03

宇宙沒有任何來自最早期時超高能量殘留的遺蹟，儘管宇宙在極高温時這些遺蹟理應存在。

“暴脹理論”的提出

針對上述問題，理論學家開始思考其他可能取代大爆炸理論中“奇點”的可能，這種可能在規避上述問題的同時，也要能夠產生極熱、高密度、膨脹並逐漸冷卻的狀態。1979年12月，阿蘭·古斯提出了一種可能的解決方式。

在一個膨脹的宇宙中，存在屬於宇宙本身的能量導致其指數膨脹。暴脹在任何時候停止的概率都不為零（在圖中被標記為“X”的地方就是暴脹停止了），導致了宇宙早期處於一個極熱，高密度、充斥着物質和輻射的狀態。但是在那些沒有停止暴脹的地方仍在膨脹。[來源出處：E. Siegel / Beyond The Galaxy]

除了極熱、高密的狀態，宇宙還可能從一種沒有物質、沒有輻射、沒有反物質、沒有中子、沒有粒子的狀態中誕生。

所有在宇宙中存在的能量都包含於宇宙自身的結構中：一種真空能量，會導致宇宙以指數速度膨脹。在這個宇宙狀態中，量子漲落仍會繼續存在，宇宙也會繼續膨脹，這些漲落會繼續延伸至整個宇宙，使有些區域的能量稍微大於平均能量密度，而有些稍小於平均能量密度。

最後，當這一時期——暴脹時期結束時，那些能量會轉變成物質和能量，產生和大爆炸理論裏類似的熱而密的狀態。

量子漲落是空間固有的，在宇宙暴脹時擴展到整個宇宙，導致宇宙微波背景輻射中的密度起伏。[來源出處：E. Siegel, with images derived from ESA /Planck and the DoE/ NASA/ NSF interagency task force on CMB research.]

這看上去是一個令人信服但難以驗證的假説，但是確實有方法驗證這一假説。我們可以測量大爆炸中殘留輻射中的漲落，並且證明它們的曲線特徵符合“暴脹假説”。

並且，這些漲落在強度上應該極其微小：小到宇宙永遠不可能達到能夠產生高能遺蹟的温度，並比奇點假説中所述的温度和密度小得多。在1990、2000及2010年代，我們分別詳細地測量了這些漲落。

由COBE（大尺度），WMAP（中等尺度），Planck（小尺度）測量到的宇宙微波背景輻射的漲落。這些漲落不僅與它們來自尺度不變的量子漲落的推測相符，而且漲落幅度很小説明它們不可能使從極熱，高密的狀態中產生的。[來源出處：NASA / WMAP science team.]

我們就此得出結論：熱大爆炸一定發生了，但回溯到最開始的狀態不一定是極熱高密的。相反，最早期的宇宙經歷了這樣一段時期：所有的能量都轉化成了能量和物質，而現在這些能量和物質與宇宙結構有密切關係。

那個被稱作宇宙暴脹的時期，結束後導致了熱大爆炸，但是從來沒有產生極熱高密的狀態，也沒有產生奇點。在暴脹之前發生了什麼，又或者暴脹在過去是不是永恆的——仍是未解之謎。

但是有一件事情是確定的，從奇點大爆炸並不是宇宙的開始！

[1] ：我們無論何時，都不可能觀測到整個宇宙，因為宇宙中有信息傳遞速度的上限，這樣會有粒子視界。然而粒子視界之外的區域不一定永遠觀測不到，比如我們現在的可觀測宇宙，有些地方在之前觀測不到，而現在可以觀測，這就説明宇宙中的因果關係區域也有一個最大限度。

要使宇宙中任何地方的温度相同，就需要光子在宇宙中交換能量，但是光子在傳播過程中會與等離子體相互作用而散射，光子傳播不了很遠。

綜上，按照大爆炸理論，極早期宇宙很多地方沒有因果關係，然而這些沒有因果關係的區域温度卻偏偏相同，這是大爆炸理論不可解釋的地方。

『天文時刻』 牧夫出品

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星系演化的跟蹤動畫

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