暴脹宇宙是科學理論嗎？現是或不是了？

【博科園-科學科普】世界是由量子漲落所創造構成的，至少這是宇宙學家目前最流行的解釋。根據理論我們存在的歷史是在數十億年前開始的，這是一個不存在的領域，它將宇宙推進了稱為「膨脹」的快速擴張階段。當膨脹結束時能量場就會衰變，能量被轉化為輻射和粒子，而這些輻射和粒子在今天依然存在。

我們今天看到不斷膨脹的宇宙，充滿了星系和複雜的結構，形成於一個更小、更熱、更密集、更均勻的狀態——奇點。圖片版權：C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

35年前保羅?斯坦哈特(Paul Steinhardt)提出了膨脹的理論。但Steinhardt已經成為該理論最狂熱的批評者之一。在《科學美國人》(Scientific American)最近的一篇文章中，斯坦哈特與安娜·伊賈斯(Anna Ijjas)和阿維·勒布(Avi Loeb)一起與大多數宇宙學家一樣聲稱是不批判的信徒：

宇宙學家們沒有對大爆炸理論採取冷酷、誠實的態度，也沒有對那些質疑膨脹是否發生的批評者給予極大的關注，更確切地說宇宙學家們似乎接受了「我們必須相信通脹理論」的觀點，因為它提供了對宇宙觀測特徵的唯一簡單解釋。

宇宙膨脹過程中空間的量子漲落，在宇宙膨脹過程中延展，導致了宇宙微波背景下的密度波動，而宇宙微波背景下的量子漲落，最終導致了宇宙中的恆星、星系和其他大規模結構。圖片版權：E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research

更糟糕的是他們認為宇宙膨脹甚至不是一個科學理論：

正如目前所理解的那樣，nflUNK宇宙學無法用科學方法來評估，作為膨脹的替代理論，斯坦哈特等人推動了「大反彈」理論，在這種情況下宇宙目前的擴張先於收縮階段，從而對通脹產生類似的好處。

該組織與宇宙暴漲的鬥爭也不是新聞了，在過去的幾年裡在一系列的論文中提出了他們的觀點。但最近的Sciam文章給了宇宙膨脹理論捍衛者舞台，在大衛·凱瑟(David Kaiser)的帶領下籤署了一封給《科學美國人》(Scientific American)的信中抱怨該雜誌給了宇宙暴漲理論的批評空間。

這封信的署名列表是一個奇怪的研究人員，即自己研究膨脹理論以及那些與膨脹理論研究無關的物理名人。有趣的是第一個推出暴脹預測的Slava Mukhanov並沒有簽署，這並不是因為他沒有被要求。兩個月前在斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)的生日會議上發表的一場充滿活力的演講中，Mukhanov明確表示，他認為大多數的暴脹模型建設只是在浪費時間。

斯坦哈特等人的文章並不是科學寫作的傑作，不幸的是使用SciAm來推廣其他關於宇宙如何開始的理論，而不是堅持他們對膨脹的批評，但一些批評也姍姍來遲。

各種各樣的膨脹模型和預測的標量(x軸)和張量(y軸)的波動與膨脹。要注意的是只有一小部分可行的暴漲模型導致了對這些參數的各種可能的預測。

暴脹問題本身並不是一個概念，而是無用的暴脹模型的過度生產。從字面上看這些模型有數百種，而正如哲學家所說——嚴重低估了。這意味著如果將符合當前數據的模型推斷出仍未經過測試的機制結果就不明確了。不同的模型導致了非常不同的預測而不是觀察。因此對暴脹的細節進行扭曲是完全沒有意義的，因為實際上有無限多的模型可以思考，從而產生無窮多個不同的「預測」。

然而Steinhardt等人在Sciam文章中把焦點放在了暴脹未能解決它所要解決的問題上而不是解決生產過剩問題。這一批評是偏離目標的，因為膨脹所要解決的問題並不是一開始就存在的問題。

如果對稱恢復大統一被破壞就會產生大量磁單極。但我們的宇宙並沒有展示它們（磁單極），如果宇宙膨脹發生在這種對稱性被打破之後，大多數單極子仍然存在於可觀測的宇宙中。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy

1、磁單極問題

古斯發明了膨脹來解決「單極問題」，如果早期的宇宙經歷了相變，例如因為統一的對稱性被打破——那麼拓撲缺陷就像磁單極應該是大量產生的。然而我們並沒有看到或發行其中的任何一個。宇宙膨脹稀釋了單極子的密度問題，所以我們也就不可能遇到一個。

但沒有看到任何單極子的合理解釋，不知道宇宙早期有什麼大的對稱性，或者說如果有也並不知道它是什麼時候破裂的，或者是斷裂產生了什麼缺陷。事實上所有尋找大對稱性證據的人主要是通過質子衰變——結果都是否定的。這一動機之所以有趣，僅僅是因為歷史原因。

在膨脹過程中發生的量子漲落確實在宇宙中伸展，但膨脹的更大的特徵是宇宙膨脹的平面，消除了先前存在的曲率。圖片版權：E. Siegel / Beyond the Galaxy

2、平面度的問題

平坦的問題也是一個很好的問題，宇宙現在看起來幾乎是平的，或者如果它有任何空間曲率，那麼曲率一定很小。曲率對宇宙動力學的貢獻，然而與物質的相關性卻增加了。這意味著如果今天的曲率很小，那麼它在過去一定會更小。膨脹使任何初始曲率的貢獻變小了大約100個數量級左右。

這應該是一個解釋，但沒有解釋任何東西，因為現在你可以問為什麼原始曲率不大於其他數？一些物理學家相信這裡正在解釋的原因是根據目前美的標準，接近1的數字很漂亮，而小於1的數字則不是。因此平坦問題是一個美學問題，我不認為這是任何科學家應該認真對待的論點。

宇宙似乎在任何地方都是相同的溫度，即使是在無關聯的天空區域，這被通俗地稱為視界問題。

3、地平線問題

宇宙微波背景(CMB)幾乎完全相同的溫度。問題是如果追溯背景輻射的起源，而不考慮宇宙膨脹，那麼就會發現從不同方向到達我們的輻射從來沒有發生過因果聯繫，為什麼它在各個方向上都有相同的溫度？

要明白為什麼這個問題不是一個問題，你必須知道我們目前在物理工作中使用的理論。我們有一個等式即一個「微分方程」告訴我們一個系統(例如宇宙)如何從一個地方變化到另一個地方，再到另一個地方。然而要想利用這個等式還需要起始值或「初始條件」

視界問題問「為什麼宇宙的初始條件」，如果初始條件複雜則需要大量信息，那麼這個問題是合理的，但是均勻的溫度並不複雜，這是戲劇性的容易，不僅沒有太多的解釋，宇宙膨脹甚至沒有回答「為什麼有這個初始條件」，因為它仍然需要一個初始條件。這只是一個不同的初始條件，並沒有任何簡單方式，也沒有解釋任何東西。

另一種方法可以看出這是一個沒有問題的問題：如果回到足夠遠的時間，宇宙沒有膨脹，最終會到達一個時期，物質如此緻密，曲率如此之高以至於量子引力很重要（裸奇點）。我們對量子引力理論中初始條件的可能性有什麼了解？然而沒有，至少目前沒有！

然而我們需要量子引力來解釋宇宙的初始條件，這是一個非常不受歡迎的觀點，因為沒有任何東西可以計算，也不能做出預測。另一方面宇宙膨脹是一種非常高效的模型，它可以讓宇宙學家大量炮製論文。

CMB波動的功率譜最適合於單一獨特的曲線，這條曲線在形狀和大小上都是獨一無二的，從宇宙的內容和暴脹預測所提供的初始條件。

在課堂上，教科書和流行的科學頁面上到處都是，但這些問題不是問題，從來都不是問題，也從不需要解決方案。儘管在構思過程中暴脹是沒有動力的，但後來證明它確實解決了一些實際問題。有時候物理學家們為了正確的原因，在錯誤的事情上工作，有時他們在正確的事情上工作是出於錯誤的原因。暴脹是後者的一個例子。

今天許多物理學家認為暴脹一定發生的原因並不是說它解決了上述三個問題。這是因為CMB的一些特徵有相關性(「TE功率譜」)，這取決于波動的大小並暗示著對宇宙大小的原因。因此僅僅選擇初始條件就不能很容易地解釋這種相關性，因為它是返回到不同時間的數據。它真的告訴我們宇宙是如何隨著時間而改變的，而不僅僅是它從哪裡開始

另外兩個令人信服的暴脹特徵是在相當普遍的情況下，模型還解釋了CMB(「非高斯」)中存在某些相關性的缺失以及有多少CMB的波動大小，被稱為「比例因子」(scale factor)量化。

但問題來了，要預測暴脹人們不能只說「曾經有指數擴張，它以某種方式結束了，為了能夠計算出一些東西，需要一個數學模型，目前的暴脹模型引入了一個新領域——「膨脹」，並給了這個領域一個潛在的能量。勢能取決於各種參數，這些參數可以與觀測有關。

可能描述宇宙膨脹的三種可能的「低谷」潛力。儘管對宇宙的各種參數給出了一些不同的結果，但沒有動機選擇一個模型而不是另一個模型（圖像為用谷歌的圖形工具創建）。

這種情況的科學方法是選擇一個模型，確定最適合觀察的參數，隨著新數據的出現然後根據需要修改模型。但這並不是宇宙學家目前所做的。相反已經產生了許多不同的模型，現在可以「預測」在可預見的未來可以測量的任何東西。

正是這種大量無用的模型引發了對膨脹不是科學理論的批評。在這個問題上批評是合理的，這不是很好的科學實踐。坦率地說這是一種司空見慣的做法，因為它導致了大量論文的產生，而不是因為它促進了科學。

因此很失望地看到斯坦哈特、伊雅斯和勒布的批評很快被一個已經太過安逸的社會所否定。宇宙膨脹是有用的，因為它將現有的觀察與潛在的數學模型聯繫起來。但我們還沒有足夠的數據來做出可靠的預測，甚至沒有足夠的數據來令人信服地排除其他選擇。

暴脹理論沒有諾貝爾獎，諾貝爾委員會在這個決定上或許做得很好。當跨越科學和blabla - land的邊界時沒有任何警告信號。但在很久以前宇宙膨脹模型留下了合理的科學推測。

作者：Sabine Hossenfelder（理論物理學家）

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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