北京时间 11 月 17 日消息，热大爆炸（hot Big Bang）理论是 20 世纪最伟大的科学成就之一。这个理论认为，我们今天所观察到并存在于其中的宇宙，是从更热、更致密且更均匀的过去演化而来的。在最初提出时，大爆炸假说是作为一种严肃的替代理论，对宇宙膨胀的一些主流解释加以补充；但在 20 世纪 60 年代中期，随着 “原始火球”残余——如今所知的宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，简称 CMB）——的发现，该假说基本被证实了。在大爆炸的极早期，一切宇宙物质都压缩在一个热而致密的 “原始火球”中。
▲ 彭罗斯的共形轮回宇宙学假设我们目前的宇宙起源于一个已经存在的宇宙，而这个宇宙会给我们今天的宇宙留下印记。这是一种迷人而富有想象力的假说，试图取代暴胀理论，但并没有得到数据支持。
50 多年来，大爆炸理论在宇宙学中逐渐具有了至高无上的地位，被众多科学家用来描述宇宙的起源。该理论还包括了一段暴胀时期，发生在大爆炸之后的极短时间内。在暴胀之后，宇宙继续膨胀，直到今天，但速度低得多。多年来，宇宙暴胀和宇宙大爆炸也一直受到天文学家和天体物理学家的挑战，但每一次有新的关键观测结果出现时，那些替代的观点就都消失了。即使是 2020 年诺贝尔物理学奖得主罗杰 · 彭罗斯（Roger Penrose）提出的另一种宇宙观——共形轮回宇宙学（Conformal Cyclic Cosmology，简称 CCC），也无法与大爆炸理论的成功相提并论。与近年来各种新闻标题和彭罗斯的断言相反的是，目前没有证据表明存在某种 “大爆炸之前的宇宙”。
▲ 空间固有的量子涨落在暴胀期间延伸到整个宇宙，引起了在宇宙微波背景中的密度涨落，这反过来又产生了恒星、星系以及今天宇宙中的其他大尺度结构。这是目前关于整个宇宙如何演变的最好的图片，暴胀就发生在宇宙大爆炸后 10^-36 秒时，持续到 10^-33 至 10^-32 秒之间。
大爆炸通常被认为是一切的开始，包括空间、时间，以及物质和能量的起源。从某种古老的观点来看，这是很合理的。如果我们现在看到的宇宙正在膨胀，密度越来越小，那就意味着它在过去更小，密度更大。如果宇宙中存在某种辐射，比如光子，那么这种辐射的波长就会随着宇宙的膨胀而延长，意味着它会随着时间的推移而冷却。
▲ 宇宙膨胀的历史可视化图像，包括被称为大爆炸的热而致密的状态，以及随后的结构生长和形成。全套数据，包括对轻元素和宇宙微波背景的观测结果，使大爆炸理论成为对目前我们所看到一切的最有效解释。随着宇宙膨胀，它也逐渐冷却，形成离子和中性原子，并最终形成分子、气体云、恒星和星系。
因此，在某一时刻，如果回溯得足够久远，你就会获得足够大的密度、温度和能量，以至于能够创造出奇点的条件。当距离尺度足够小，时间尺度足够短，或者能量尺度足够高的时候，物理定律就不再有意义了。如果我们能让时钟往回拨 138 亿年，接近传说中的 “0”点，这些物理定律会在 10^-43 秒的时间内失效，这就是普朗克时间，也可以说是时间最早的时刻。宇宙历史中最早的时间阶段便被称为普朗克时期（0 至 10^-43 秒）。
▲ 在早期的热宇宙中，中性原子形成之前，光子会以非常高的速率从电子（以及少数质子）中散射出去，从而传递动量。在中性原子形成后，由于宇宙冷却至某个特定的临界阈值之下，光子就会沿直线运动，只在波长上受空间膨胀的影响。
如果这是对宇宙的准确描述——宇宙由此开始变得炙热而稠密，然后膨胀并冷却——那我们就可以预期在过去的宇宙历史中所发生的大量转变，如：
· 所有可能产生的粒子和反粒子都会大量产生，当温度太低而无法继续产生它们时，多余的粒子就会湮灭成辐射；
· 电弱对称性和希格斯对称性在宇宙冷却至低于恢复这些对称性所需的能量时就会破缺，从而产生四种基本力和静止质量不为零的粒子；
· 夸克和胶子凝聚成复合粒子，如质子和中子；
· 中微子不再与幸存的粒子有效地相互作用；
· 质子和中子聚变形成轻原子核：氘、氦 - 3、氦 - 4 和锂 - 7；
· 引力会导致密度过高的区域增大，而当密度过高时，辐射压力会扩展这些区域，创造出一组振荡的、依赖于规模的印记；
· 大爆炸后大约 38 万年时，温度降至足以形成中性、稳定的原子。
当最后一个阶段发生时，原先与自由电子不断相互作用的光子，便开始在宇宙中畅行无阻，沿直线行进。随着宇宙的膨胀，光子的波长变长，分布也变得稀疏。
▲ 太阳的实际光（黄色曲线，左）与一个完美黑体（灰色部分）的对比表明，由于光球层的厚度，太阳更像是一系列黑体；右图是宇宙背景探测器（COBE）测量到的宇宙微波背景中的真实完美黑体。注意，右边的 “误差条”是惊人的 400 sigma。这种理论和观测的一致性具有重要的历史意义，观测到的光谱峰值决定了宇宙微波背景的遗留温度为 2.73 K。
大约 55 年前，这种宇宙微波背景辐射首次被探测到，将大爆炸假说从宇宙起源的若干可行解释之一变成了唯一与数据相符的理论。尽管大多数天文学家和天体物理学家立即接受了大爆炸理论，但当时主流的稳态理论（Steady-State theory）仍有不少强有力的支持者，如英国天体物理学家弗雷德 · 霍伊尔（Fred Hoyle）。在压倒性的数据面前，他们提出了越来越荒谬的论点来捍卫自己的理论。
然而，这些论点尽管引人注目，但最终都以失败告终。每一种解释都被数据驳倒：宇宙余辉（宇宙微波背景辐射）的光谱是一个非常完美的黑体，在各个方向上都相同，与宇宙中的物质太不相关了，以至于无法与这些各不相同的解释相符。随着科学继续发展，大爆炸理论已经成为共识的一部分，意即成为未来科学的合理起点时，霍伊尔和他的意识形态盟友们便通过鼓吹替代理论来阻止科学的进步。但这些理论终究在科学上站不住脚。随着时间的推移，其他这些理论变得越来越无关紧要，霍伊尔等人的研究计划最终在他们死后停止。
▲ 宇宙不仅均匀地膨胀，而且有微小的密度缺陷，这使恒星、星系和星系团能够随着时间的推移逐渐形成。在均匀的背景上叠加密度的不均匀性，是理解今天宇宙的起点。
与此同时，从 20 世纪 60 年代到 21 世纪头 10 年，天文学和天体物理学——特别是关注宇宙历史、发展、演化和命运的子领域宇宙学——取得了惊人地发展：
· 我们绘制了宇宙的大尺度结构，发现了一个巨大的宇宙网络；
· 我们发现了星系是如何成长和进化的，以及星系内部的恒星数量如何随时间变化；
· 我们了解到，宇宙中所有已知的物质和能量形式都不足以解释目前观察到的一切，还需要加入某种形式的暗物质和暗能量。
此外，我们也能够进一步验证其他与大爆炸有关的预测，比如轻元素的丰度预测；原始中微子群的存在；以及密度缺陷的发现，这种缺陷正是发展出今天宇宙大尺度结构所必需的。
与此同时，也有一些观察结果是准确无疑的，但大爆炸理论还没有办法进行解释。据该理论，宇宙最初时就达到了足够的高温和高能量，但我们今天并没有观察到与此有关的奇特遗留：既没有磁单极子，也没有大统一理论预测的粒子，抑或是拓扑缺陷，等等。从理论上，一定有某种超出我们所知的东西存在着，可以解释目前所看到的宇宙；但如果它们曾经存在过，一定也被隐藏了起来。
▲ 宇宙大爆炸的余辉，即宇宙微波背景（CMB）并不是均匀的，而是存在微小的缺陷和几百微开氏度的温度波动。尽管这种性质在引力增长之后的宇宙中起到了重要作用，但重要的是要记住，早期的宇宙，以及今天的大尺度宇宙，只是在小于 0.01% 的水平上是不均匀的。普朗克卫星探测并测量这些波动的精度比以往任何时候都要高。
宇宙要以我们所见的性质存在，就必须以一个非常明确的膨胀率诞生；这个膨胀率需要精确地平衡总能量密度，精确程度达到 50 位数以上。大爆炸理论并没有解释为什么会这样。
宇宙空间中不同区域达到相同温度的唯一方法是使它们处于热平衡状态，如果有时间进行相互作用和交换能量的话。然而，宇宙太大了，而且其膨胀的方式导致了许多互不相连的区域。即使在光速下，这些区域的相互作用也不可能发生。
无论是对宇宙学还是一般的科学，这都是一个巨大的挑战。在科学中，当我们看到一些理论无法解释的现象时，通常有两种选择：
（1）我们可以尝试设计一个理论模型来解释这些现象，同时保持所有先前理论的成立，并做出新的、不同于先前理论的预测；
（2）或者我们可以简单地假设没有任何解释，宇宙只是生来就具备了各种必需的属性，使其成为我们所观察到的样子。
只有第一种选择才有科学价值，因此这是一种必须尝试的方法，即使不能得到结果。在扩展大爆炸理论时，最成功的假说便是宇宙暴胀。该假说在大爆炸后建立了一个阶段，宇宙在这个阶段中以指数方式膨胀：先被拉伸成平坦状，使宇宙在任何地方都具有相同的性质，膨胀率与能量密度相匹配，消除了任何先前的高能量残余，并对量子涨落做出新的预测，从而导致一种特定的密度和温度涨落叠加在原本均匀的宇宙之上。
▲ 在最上图中，今天的宇宙到处都有相同的性质（包括温度），因为它们来自一个具有相同性质的区域。在中间图中，具有任意曲率的空间可能暴胀到了我们现在无法观察到任何曲率的程度，从而解决了平坦性问题。在最下图中，原有的高能遗迹被暴胀消除，解决了高能遗迹问题。暴胀理论就是这样解决了大爆炸理论本身无法解释的三大难题。
尽管和之前的大爆炸理论一样，暴胀假说也遭到了许多人的批评，但它在其他所有选项都失败的地方取得了成功。暴胀解决了 “优雅退出”的问题，即一个指数膨胀的宇宙能以一种与观测相符的膨胀方式，转变成一个充满物质和辐射的宇宙。于是，我们可以成功地再现热大爆炸的过程。暴胀也使能量骤降，消除了任何超高能量的遗迹。它创造了一个高度均匀的宇宙，使膨胀率和总能量密度完美匹配。
暴胀假说对宇宙结构的类型，以及应该出现的初始温度和密度涨落做出了新的预测，这些预测后来被观测证明是正确的。暴胀理论的预测主要在 20 世纪 80 年代被梳理出来，而证实这些预测的观测证据则是在过去 30 年里涌现出来的。尽管有很多替代理论，但没有一个能像暴胀假说那样成功。
▲ 尽管在暴胀的时空中预计会出现许多独立的宇宙，但暴胀永远不会在同一时间在所有地方结束，而是会在不同的独立区域中结束，这些区域由持续暴胀的空间分隔。这就是多元宇宙论的科学源头，也是为什么两个宇宙不会发生碰撞的原因。由于单个宇宙中粒子的相互作用，暴胀并不能创造出足够的宇宙来容纳所有可能的量子结果。
对于罗杰 · 彭罗斯而言，尽管他在 20 世纪 60 到 70 年代关于广义相对论、黑洞和奇点的工作绝对配得上诺贝尔奖，但近年来，他进行了大量的努力试图推翻暴胀假说。他推出的替代理论便是 “共形轮回宇宙学”，一个在科学上存在诸多缺陷的假说。
共形轮回宇宙学与暴胀理论在预测上最大的差异是，它基本上要求 “大爆炸前的宇宙”在宇宙的大尺度结构和宇宙微波背景中显示某种印迹。相比之下，暴胀理论要求无论暴胀在哪里结束，或大爆炸在哪里发生，都不能与任何先前、当前或未来的结构或区域相互作用。我们的宇宙以独立于其他宇宙的属性而存在。
与此相关的观测最初来自宇宙背景探测器（COBE）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），近年来则来自普朗克卫星；这些观测的结果都明确地对任何这样的结构进行了极其严格的限制（现有数据的极限）。我们的宇宙没有印迹；没有重复的模式；没有不规则波动的同心圆；也没有所谓的 “霍金点”（Hawking points，来自 “亿万年前超大质量黑洞霍金蒸发”的遗留）。当我们正确地分析数据时，可以非常清楚地看到，暴胀假说与数据是一致的，而共形轮回宇宙学则完全不一致。
▲ 近 10 年来，罗杰 · 彭罗斯一直在鼓吹一种十分令人怀疑的主张，称宇宙显示出了各种特征和证据，表明我们的宇宙与大爆炸之前的宇宙发生碰撞并留下印记。这些证据并不充分，不足以支持彭罗斯的断言。
尽管如此，但彭罗斯和霍伊尔很像，一直坚持他的主张。然而，观测数据压倒性地反对他的主张，他所做的预测被数据驳倒，而他所宣称的那些效应只有在以一种科学上不可靠和不合理的方式分析数据时才具有可重复性。数以百计的科学家已经向彭罗斯指出了这一点，并且是在超过 10 年的时间里反复地解释，但彭罗斯选择了无视，继续坚持自己的论点。
和之前的许多人一样，彭罗斯似乎已经深深爱上了自己的论点，以至于不能再以负责任的态度来进行验证。然而，这样的验证是存在的，关键数据是公开的；彭罗斯不仅提出了错误的论点，而且已有的证据可以很容易地表明，他声称的特征只能存在于某个并不存在的宇宙。尽管霍伊尔在恒星核聚变方面做出了有价值的贡献，但他可能因为晚年的非科学立场而被剥夺了诺贝尔奖；彭罗斯刚刚荣获诺贝尔奖，但他也犯了同样令人遗憾的错误。
当然，我们应该赞美彭罗斯的创造力，庆祝他具有开创性的、值得诺贝尔奖的工作，但我们也必须警惕自己，不能盲目崇拜任何伟大的科学家，或者他们所做的那些没有数据支持的工作。最后，无论科学家或学说的名气有多大，都要靠宇宙本身来辨别哪些是有真实依据的，哪些只是未经证实的假说；我们要不断追寻宇宙的线索，无论它将我们带到哪里。
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