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暴脹還是反彈?關于宇宙起源的幾個問題
2017-09-08 |文章來源: 蔡一夫 金莊維| 瀏覽次數:  |

   

  反彈宇宙學圖像

   

  COBE、WMAP、Planck三代衛星拍攝的宇宙微波背景輻射各向異性溫度漲落

  宇宙源自138億年前的一次爆炸,而后立即經歷了一場極度快速的膨脹——暴脹過程,隨后逐漸膨脹至今。這一直是用來解釋宇宙形成的主流科學理論。

  然而今年上半年,《科學美國人》雜志搞了點事情。來自普林斯頓大學和哈佛大學的科學家撰文表示,宇宙源自一次大反彈而非大爆炸,暴脹理論無法令人滿意。此舉無疑在學界扔下了一枚重型炸彈。包括4位諾貝爾獎得主在內的33位科學家立即聯合簽署了一封公開信,對其進行駁斥。

  宇宙到底源自大反彈還是大爆炸?這場爭論的雙方都是知名科學家。對于看熱鬧的公眾來說,選擇“站隊”之前,不妨先了解兩種宇宙形成理論都討論了什么。

  窺視嬰兒期的宇宙 

  宇宙微波背景輻射的發現,為熱大爆炸宇宙學提供了關鍵的證據。而在微波背景輻射譜上極為微小的起伏,讓人們有機會了解宇宙嬰兒時期的樣貌。

  在現代宇宙學的發展歷程中,宇宙微波背景輻射(CMB)的故事絕對是場重頭戲。早在20世紀40年代,天文學家伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙學說。該學說預言:宇宙存在一個背景溫度,它便是由CMB——來自宇宙嬰兒期的光線帶來的。

  到了20世紀60年代,美國貝爾實驗室的兩位工程師利用無線電波天線探測到了這個穩定而又均勻的微波背景信號。這一發現在天文學史上留下了濃重的一筆,因為它為熱大爆炸宇宙學說提供了最關鍵的證據。不過當時,人們認為CMB在各個位置、各個方向上都是完全相同的,嬰兒期的宇宙均勻得毫無特征。

  第一次真正揭開CMB神秘面紗的,當數美國宇航局于1989年發射的宇宙背景探測者(COBE)衛星。這枚衛星不僅精確測量了CMB黑體輻射譜從而驗證了熱大爆炸學說,而且在背景溫度為2.73開氏度的黑體譜上發現了漲落幅度大約為10-5開氏度的溫度漲落,進一步擴展了人類認知宇宙的視野。

  如果說原初核合成與2.73開氏度的CMB黑體譜一并證實了宇宙在童年時期的成長歷程,那么CMB譜上這些微小的各向異性溫度漲落則為認知宇宙在原初嬰兒時代的樣貌提供了一扇窗口。

  在之后的二十多年間,美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)衛星和歐洲空間局的普朗克(Planck)衛星相繼發射升空。它們不僅使得CMB天圖的分辨率有了巨大提高,還讓人類能夠接近大爆炸奇點這個物理理論的“禁區”。

  在順利通過諸多高精度天文實驗的檢驗后,熱大爆炸學說晉級為現代宇宙學的標準理論模型。它描述的基本圖像為:大約138億年前,我們的宇宙創生于一個時空奇點的大爆炸。在漫長歲月的洗禮下,它從極高溫的混沌狀態開始演變,逐漸形成基本粒子、核子,然后經過原初核合成產生氫和氦的原子核。之后約38萬年,宇宙中形成穩定的中性氫原子與早期CMB。接著在原初密度漲落的影響下,又逐漸形成由宏觀物質構建起來的大尺度結構雛形。到了宇宙4億歲時,第一代恒星終于形成,而最早的星系和類星體則誕生于大爆炸后約十億年。從那以后,由星系和星系團等構成的宇宙大尺度結構開始形成。最終,我們的宇宙演化到當前由暗能量驅動的加速膨脹狀態。

  宇宙需要一個奇點嗎 

  在包含暴脹過程的熱大爆炸宇宙學中,密度極大、溫度極高的奇點不可避免。而反彈宇宙圖像中,宇宙先是收縮,然后反彈進入熱大爆炸膨脹階段,避免了讓科學家頭皮發麻的奇點問題。

  宇宙的故事并非看起來這么簡潔明了,當反演宇宙演化到剛剛呱呱墜地的嬰兒時期,熱大爆炸學說本身就面臨著初始條件選取的困難。比如說,是什么導致了今天的宇宙在大尺度上均勻各向同性,而又具有各種星系、星系團等結構?故事的開端——大爆炸奇點真的存在嗎?那一刻宇宙發生了什么?人類在與熱大爆炸學說如此匹配的CMB黑體譜上發現了微小的各向異性溫度漲落,又意味著什么?

  暴脹學說,是一款為描述宇宙在原初時期動力學而量身打造的宇宙學圖像。它認為,在大爆炸后約10-36秒到10-32秒短暫的時間內,宇宙的單位空間尺度被放大約1080倍。這相當于瞬間把亞原子尺度的空間擴張到了太陽系尺度,這樣可以抹平原初宇宙可能存在的不均勻性,于是很自然地解釋了我們今天看到的均勻宇宙。不過,本該存在于微觀世界的量子漲落也被拉扯到了宏觀尺度上,導致了CMB溫度漲落與原初密度擾動的產生,也為大尺度結構的形成埋下了種子。

  換句話說,從我們今天看到的CMB溫度漲落,到星系、恒星、地球,乃至我們自己,都是由嬰兒時期宇宙中的量子漲落演化而來。因此,在暴脹學說中當前宇宙的均勻性以及大尺度結構的形成得到了十分自然的解釋,我們不再需要為熱大爆炸宇宙設定各種苛刻的初始條件。

  然而,大爆炸奇點在暴脹學說中依然是不可避免的。這意味著,暴脹本身是不完整的理論:我們不知道暴脹如何開始,也不知道在暴脹之前發生了什么。在這個背景下,一系列替代理論應運而生,其中最具代表性的就是反彈宇宙學。

  實現反彈宇宙圖像的理論模型有很多,例如加拿大麥吉爾大學的羅伯特·布蘭登伯格教授與英國樸茨茅茨大學的大衛·沃茲于1999年提出物質反彈模型、中國科學院高能所張新民研究員及其團隊于2007年提出的精靈反彈模型等。在筆者和多位同事的多年努力之下,藏在這些模型背后的反彈宇宙學擾動理論逐漸成型,并揭示了反彈學說同樣可以解釋熱大爆炸宇宙學所面臨的初始條件疑難。在這類理論圖像中,大爆炸之前的宇宙處于一個收縮過程,體積越來越小,直到某一時刻宇宙收縮到一個極小值,然后反彈進入標準的熱大爆炸膨脹階段。由此可見,反彈學說的提出,不僅繼承了熱大爆炸宇宙學的成功之處,還避免了那個會讓宇宙學家頭皮發麻的時空奇點。因此,它進一步推動了熱大爆炸宇宙學的理論發展。

  驗證起源學說,原初引力波說了算 

  CMB中的原初B模偏振可以幫助構建宇宙最初的模樣。但人類一直沒有找到它。科學家已在智利和南極展開或規劃CMB觀測,我國阿里原初引力波望遠鏡也將瞄準這一“宇宙級”問題。

  宇宙在極早期所經歷的究竟是哪一種過程呢?暴脹,反彈,抑或二者的結合?對于研究極早期宇宙的物理學家來說,一個至關重要的任務就是通過實驗觀測來進行檢驗區分。上述模型給出的理論預言,正好可以通過對CMB的高精度測量來加以檢驗。

  由于宇宙早期光子與電子會發生湯姆森散射,CMB光子不僅攜帶著前文提到的黑體譜和溫度漲落的信息,還會有偏振狀態,它們形成兩種截然不同的圖樣:電場型E模式和磁場型B模式。

  宇宙學家在研究CMB的偏振漲落時發現,原初宇宙中的張量擾動(即原初引力波)可以直接導致CMB擁有B模式的偏振信號。換言之,尋找原初引力波的B模偏振,能為極早期宇宙的研究提供線索。

  這一發現正式打響了利用精確宇宙學實驗探索、檢驗原初宇宙圖景的發令槍。宇宙學家曾試圖利用WMAP、Planck等衛星實驗將近15年的數據,來重構出原初擾動、甚至原初宇宙的模樣。但遺憾的是,截至目前CMB中的原初B模偏振仍然沒有被直接觀測到。

  近年來研究人員轉向性價比更高、維持運行更長期更穩定的地面CMB觀測實驗。迄今已經建造和規劃中的地面CMB偏振實驗,集中在智利和南極,而北半球是空缺的。

  為了推進中國宇宙學在CMB領域的實驗研究,中國科學院高能所的宇宙學團隊牽頭,聯合國內外多所頂級宇宙學研究單位,正在我國西藏阿里地區建造北半球首個CMB極化望遠鏡,即阿里原初引力波望遠鏡(AliCPT)。

  該項目計劃2020年在阿里天文臺海拔5250米處建成阿里一號望遠鏡并開始觀測,在北天區率先實現對原初引力波的探測。與此同時,阿里計劃還會與南半球的CMB實驗合作,形成一南一北,對原初引力波觀測進行全天區覆蓋。


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