引力波的麻煩還沒解決，宇宙大爆炸理論又遭遇了新挑戰

關於宇宙起源的主流假說認為，量子真空出現能量波動，並在一瞬間膨脹，創造出一個嬰兒時期的宇宙。

這種假說可以解釋很多難題，並且符合迄今為止所有的觀測結果。

然而，這種「宇宙膨脹」假說缺乏明確的證據。

空間結構在膨脹時，應該形成被稱為原初引力波的標誌性漣漪，但到目前為止，即使是世界上最靈敏的天文望遠鏡，也尚未在宇宙當中偵測到它們。

近年來，原初引力波的缺席讓一些不被看好的宇宙誕生理論獲得了發展。然而，宇宙膨脹假說是複雜多變的。在該理論的諸多變體中，科學家認為，原初引力波的信號非常微弱，以至於無法被偵測到。

「問題在於，我們是否可以驗證整個（膨脹）情景，而不僅僅是特定的模型。」哈佛大學天體物理學家、宇宙學家阿維·勒布（Avi Loeb）說，「如果沒有一把閘刀可以把一些理論排除掉，那還有什麼意義呢？」

來自2微米全天巡天擴展源目錄的本區域宇宙全天星圖，該目錄收錄了150多萬個星系。銀河系位於星圖的中心位置，其他星系按照距離遠近用不同顏色進行了標記，其數據來自多個不同的巡天探測項目。

在物理論文預印網站arxiv.org近日發表的一篇論文中，勒布與哈佛大學的兩位同事陳新剛和鮮於中之就發現了這樣的「閘刀」。他們預測，整個宇宙的物質分布存在一種振蕩模式，如果我們能夠發現這種模式，便可以判斷宇宙膨脹假說以及其他替代理論的真偽（尤其是這樣一種假說，認為宇宙大爆炸其實是長期收縮之後的反彈）。

這篇論文尚未經過同行評議，但紐約州立大學布法羅分校的膨脹宇宙學家、斯德哥爾摩大學客座教授威爾·金尼（Will Kinney）表示，「我覺得這種分析似乎是對的。」他把該論文稱為「一個非常優雅的想法」。

「如果信號是真實、而且可以被偵測到，那將非常有趣。」加州理工學院的肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）在一封電郵中表示。

關於宇宙大爆炸的任何潛在信號都值得我們搜尋，但專家們指出，主要問題在於，這種推定的振蕩模式是否足夠強大，可以被我們探測到。它或許不像前面所說的那樣是一把輪廓清晰的「閘刀」。

如果振蕩模式確實存在，其信號將出現在整個宇宙的密度差異中。想像用一個巨大的冰淇淋勺子在星空中舀一把，然後數出其中有多少個星系。把這個動作重複多遍，你會發現，被舀起的星係數量會在某個平均值上下浮動。現在把勺子的尺寸放大，當舀起更大片的宇宙時，你會發現，星係數量上下浮動的幅度要比之前更大。根據陳新剛、勒布和鮮於中之的計算，當我們逐漸使用更大的勺子時，宇宙物質密度差異的幅度應該在越來越大的區間內振蕩。勒布解釋說，「我們所展示的」就是，通過這些振蕩的形式，「你可以在產生密度擾動時，分辨宇宙是在膨脹還是在收縮」——這分別對應的是宇宙大爆炸和宇宙大反彈假說。

不管哪一種宇宙誕生理論是正確的，宇宙學家認為有一點幾乎確信無疑：如今在宇宙中觀測到的密度差異是由量子場中的隨機漣漪造成的，而這種量子場很久之前就已存在。

由於量子的不確定性，原始宇宙中的任何量子場在發生漲落時，會產生波長各異的漣漪。某些特定波長的漣漪會周期性地產生相長干涉（又稱建設性干涉），形成波峰，也就是粒子的聚集。這些聚集後來即演變為我們今天在宇宙不同尺度上所觀測到的物質密度的差異。

不過，是什麼導致特定波長的波峰在宇宙誕生時恰好被凍結呢？根據這篇新論文，時機取決于波峰是形成於宇宙膨脹模型中的宇宙暴脹時期，還是形成於宇宙反彈模型中的緩慢收縮時期。

如果宇宙在大反彈之前緩慢收縮，那麼量子場中的漣漪會受到擠壓。到了某個時候，可觀測的宇宙會收縮到比特定波長的漣漪更小的尺寸，就像小提琴的諧振腔太小，不足以發出大提琴的聲音。當太大的漣漪消失時，那時候在那個尺度上存在的任何波峰（或粒子聚集）都會被「凍結」到宇宙當中。隨著可觀測的宇宙進一步收縮，逐漸變得越來越小的漣漪將會消失，凍結成為密度差異。某些尺寸的漣漪可能在關鍵時刻形成相長干涉，在那個尺度上產生峰值密度差異；與此同時，在稍後消失的稍短漣漪可能異相凍結。這就是新論文中提出的隨著勺子尺寸增大，宇宙物質密度在高低變化之間的振蕩狀態。

如果反過來，宇宙經歷的是快速膨脹，同樣會產生這些振蕩。這種情況下，隨著宇宙越來越大，它能容納的量子漣漪的波長也會越來越大。在尺寸各異的漣漪得以形成時，密度差異將會被刻印在對應尺度的宇宙當中。

這篇論文的作者們認為，兩種情景中，振蕩形式之間質的差異將揭示哪一種假說才是正確的。在兩種情景中，這種振蕩模式就好像量子場在一盤快速轉動的磁帶上打上了刻度線，而這盤磁帶代表的就是膨脹或收縮的宇宙。如果宇宙是在呈指數級膨脹，那麼打在宇宙上的刻度線會越來越遠。如果宇宙是在收縮，那麼刻度線會越來越近。因此，陳新剛、勒布和鮮於中之認為，密度差異峰值之間的變化間隔應該能夠揭示宇宙的演化歷史。「我們終於可以看到原始宇宙到底是在膨脹還是在收縮，以及它是在快速膨脹還是在極端緩慢地膨脹。」陳新剛說。

至於振蕩信號會是什麼樣子，它的強度如何，這些都取決於量子場的未知特性。偵測到這樣的信號，將讓我們獲知原始宇宙的構成。至於這種推定的信號會不會出現在未來的巡天探測項目中，根據膨脹宇宙學家金尼的說法，好消息是，與科學家搜尋的「非高斯性」信號相比，振蕩信號也許更容易被偵測到。（「非高斯性」信號是指星空中物質的三角形和其他幾何排列，它也能驗證和揭示宇宙膨脹的細節。）然而，壞消息則是，信號的強度和形式取決於很多我們還不知道的東西，比如值可能為零的常數，而且也許根本就不存在可以被偵測到的信號，這也是完全有可能的，金尼解釋說。

翻譯：何無魚

審校：李莉

編輯：漫倩

來源：Quanta Magazine

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