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暴胀还是反弹?宇宙起源之问

作者:- 文章来源:- 点击数:93 更新时间:2017/9/8 7:48:57

反弹宇宙学图像反弹宇宙学图像

  宇宙源自138亿年前的一次爆炸,而后立即经历了一场极度快速的膨胀——暴胀过程,随后逐渐膨胀至今。这一直是用来解释宇宙形成的主流科学理论。

  然而今年上半年,《科学美国人》杂志搞了点事情。来自普林斯顿大学和哈佛大学的科学家撰文表示,宇宙源自一次大反弹而非大爆炸,暴胀理论无法令人满意。此举无疑在学界扔下了一枚重型炸弹。包括4位诺贝尔奖得主在内的33位科学家立即联合签署了一封公开信,对其进行驳斥。

  宇宙到底源自大反弹还是大爆炸?这场争论的双方都是知名科学家。对于看热闹的公众来说,选择“站队”之前,不妨先了解两种宇宙形成理论都讨论了什么。

  窥视婴儿期的宇宙

  宇宙微波背景辐射的发现,为热大爆炸宇宙学提供了关键的证据。而在微波背景辐射谱上极为微小的起伏,让人们有机会了解宇宙婴儿时期的样貌。

  在现代宇宙学的发展历程中,宇宙微波背景辐射(CMB)的故事绝对是场重头戏。早在20世纪40年代,天文学家伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙学说。该学说预言:宇宙存在一个背景温度,它便是由CMB——来自宇宙婴儿期的光线带来的。

  到了20世纪60年代,美国贝尔实验室的两位工程师利用无线电波天线探测到了这个稳定而又均匀的微波背景信号。这一发现在天文学史上留下了浓重的一笔,因为它为热大爆炸宇宙学说提供了最关键的证据。不过当时,人们认为CMB在各个位置、各个方向上都是完全相同的,婴儿期的宇宙均匀得毫无特征。

  第一次真正揭开CMB神秘面纱的,当数美国宇航局于1989年发射的宇宙背景探测者(COBE)卫星。这枚卫星不仅精确测量了CMB黑体辐射谱从而验证了热大爆炸学说,而且在背景温度为2.73开氏度的黑体谱上发现了涨落幅度大约为10-5开氏度的温度涨落,进一步扩展了人类认知宇宙的视野。

  如果说原初核合成与2.73开氏度的CMB黑体谱一并证实了宇宙在童年时期的成长历程,那么CMB谱上这些微小的各向异性温度涨落则为认知宇宙在原初婴儿时代的样貌提供了一扇窗口。

  在之后的二十多年间,美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星和欧洲空间局的普朗克(Planck)卫星相继发射升空。它们不仅使得CMB天图的分辨率有了巨大提高,还让人类能够接近大爆炸奇点这个物理理论的“禁区”。

  在顺利通过诸多高精度天文实验的检验后,热大爆炸学说晋级为现代宇宙学的标准理论模型。它描述的基本图像为:大约138亿年前,我们的宇宙创生于一个时空奇点的大爆炸。在漫长岁月的洗礼下,它从极高温的混沌状态开始演变,逐渐形成基本粒子、核子,然后经过原初核合成产生氢和氦的原子核。之后约38万年,宇宙中形成稳定的中性氢原子与早期CMB。接着在原初密度涨落的影响下,又逐渐形成由宏观物质构建起来的大尺度结构雏形。到了宇宙4亿岁时,第一代恒星终于形成,而最早的星系和类星体则诞生于大爆炸后约十亿年。从那以后,由星系和星系团等构成的宇宙大尺度结构开始形成。最终,我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。

  宇宙需要一个奇点吗

  在包含暴胀过程的热大爆炸宇宙学中,密度极大、温度极高的奇点不可避免。而反弹宇宙图像中,宇宙先是收缩,然后反弹进入热大爆炸膨胀阶段,避免了让科学家头皮发麻的奇点问题。

  宇宙的故事并非看起来这么简洁明了,当反演宇宙演化到刚刚呱呱坠地的婴儿时期,热大爆炸学说本身就面临着初始条件选取的困难。比如说,是什么导致了今天的宇宙在大尺度上均匀各向同性,而又具有各种星系、星系团等结构?故事的开端——大爆炸奇点真的存在吗?那一刻宇宙发生了什么?人类在与热大爆炸学说如此匹配的CMB黑体谱上发现了微小的各向异性温度涨落,又意味着什么?

  暴胀学说,是一款为描述宇宙在原初时期动力学而量身打造的宇宙学图像。它认为,在大爆炸后约10-36秒到10-32秒短暂的时间内,宇宙的单位空间尺度被放大约1080倍。这相当于瞬间把亚原子尺度的空间扩张到了太阳系尺度,这样可以抹平原初宇宙可能存在的不均匀性,于是很自然地解释了我们今天看到的均匀宇宙。不过,本该存在于微观世界的量子涨落也被拉扯到了宏观尺度上,导致了CMB温度涨落与原初密度扰动的产生,也为大尺度结构的形成埋下了种子。

  换句话说,从我们今天看到的CMB温度涨落,到星系、恒星、地球,乃至我们自己,都是由婴儿时期宇宙中的量子涨落演化而来。因此,在暴胀学说中当前宇宙的均匀性以及大尺度结构的形成得到了十分自然的解释,我们不再需要为热大爆炸宇宙设定各种苛刻的初始条件。

  然而,大爆炸奇点在暴胀学说中依然是不可避免的。这意味着,暴胀本身是不完整的理论:我们不知道暴胀如何开始,也不知道在暴胀之前发生了什么。在这个背景下,一系列替代理论应运而生,其中最具代表性的就是反弹宇宙学。

  实现反弹宇宙图像的理论模型有很多,例如加拿大麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格教授与英国朴茨茅茨大学的大卫·沃兹于1999年提出物质反弹模型、中国科学院高能所张新民研究员及其团队于2007年提出的精灵反弹模型等。在笔者和多位同事的多年努力之下,藏在这些模型背后的反弹宇宙学扰动理论逐渐成型,并揭示了反弹学说同样可以解释热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。在这类理论图像中,大爆炸之前的宇宙处于一个收缩过程,体积越来越小,直到某一时刻宇宙收缩到一个极小值,然后反弹进入标准的热大爆炸膨胀阶段。由此可见,反弹学说的提出,不仅继承了热大爆炸宇宙学的成功之处,还避免了那个会让宇宙学家头皮发麻的时空奇点。因此,它进一步推动了热大爆炸宇宙学的理论发展。

  验证起源学说,原初引力波说了算

  CMB中的原初B模偏振可以帮助构建宇宙最初的模样。但人类一直没有找到它。科学家已在智利和南极展开或规划CMB观测,我国阿里原初引力波望远镜也将瞄准这一“宇宙级”问题。

  宇宙在极早期所经历的究竟是哪一种过程呢?暴胀,反弹,抑或二者的结合?对于研究极早期宇宙的物理学家来说,一个至关重要的任务就是通过实验观测来进行检验区分。上述模型给出的理论预言,正好可以通过对CMB的高精度测量来加以检验。

  由于宇宙早期光子与电子会发生汤姆森散射,CMB光子不仅携带着前文提到的黑体谱和温度涨落的信息,还会有偏振状态,它们形成两种截然不同的图样:电场型E模式和磁场型B模式。

  宇宙学家在研究CMB的偏振涨落时发现,原初宇宙中的张量扰动(即原初引力波)可以直接导致CMB拥有B模式的偏振信号。换言之,寻找原初引力波的B模偏振,能为极早期宇宙的研究提供线索。

  这一发现正式打响了利用精确宇宙学实验探索、检验原初宇宙图景的发令枪。宇宙学家曾试图利用WMAP、Planck等卫星实验将近15年的数据,来重构出原初扰动、甚至原初宇宙的模样。但遗憾的是,截至目前CMB中的原初B模偏振仍然没有被直接观测到。

  近年来研究人员转向性价比更高、维持运行更长期更稳定的地面CMB观测实验。迄今已经建造和规划中的地面CMB偏振实验,集中在智利和南极,而北半球是空缺的。

  为了推进中国宇宙学在CMB领域的实验研究,中国科学院高能所的宇宙学团队牵头,联合国内外多所顶级宇宙学研究单位,正在我国西藏阿里地区建造北半球首个CMB极化望远镜,即阿里原初引力波望远镜(AliCPT)。

  该项目计划2020年在阿里天文台海拔5250米处建成阿里一号望远镜并开始观测,在北天区率先实现对原初引力波的探测。与此同时,阿里计划还会与南半球的CMB实验合作,形成一南一北,对原初引力波观测进行全天区覆盖。

  (作者分别为中国科学技术大学天文学系教授及北京大学博士)

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