反弹宇宙学图像
138亿年前的一次爆炸产生了宇宙, 紧接着它马上历经了一场速度极其快的膨胀, 也就是暴胀过程, 之后渐渐增大到如今这般, 这始终是用于阐释宇宙形成的主要科学理论。
然而, 在今年上半年, 《科学美国人》杂志有了些举动 , 来自普林斯顿大学的科学家撰文称, 宇宙源于一次大反弹而非大爆炸, 暴胀理论不能令人满意 , 来自哈佛大学的科学家也这么表述。这一行为在学界无疑扔下了一枚重型炸弹 , 包括4位诺贝尔奖得主在内的33位科学家马上联合签署了一封公开信 , 对其予以驳斥。
源自大反弹的宇宙, 和源自大爆炸的宇宙, 究竟哪个才是真实起源呢? 参与这场争论的双方, 皆是知名科学家。对于那些仅仅是想看热闹的公众而言, 在做出“站队”的选择之前, 最好能够先去了解一下, 两种关于宇宙形成的理论, 各自都讨论了些什么内容。
窥视婴儿期的宇宙
热大爆炸宇宙学得以拥有关键证据, 是因为宇宙微波背景辐射被发现, 在微波背景辐射谱上存在极为微小的起伏, 这使人们获得了了解宇宙婴儿时期样貌的机会。
于现代宇宙学的发展进程里, 宇宙微波背景辐射, 也就是CMB的相关经历绝对堪称一场关键大戏。早在20世纪40年代时, 天文学家伽莫夫等一众人员提出了热大爆炸宇宙学说。这个学说做出了这样的预言: 宇宙有着一个背景温度, 而这个背景温度是由CMB, 也就是来自宇宙婴儿期的光线所带来的。
直到20世纪60年代的时候, 美国贝尔实验室之中的两位工程师, 借助无线电波天线探测到了这样一个稳定且均匀的微波背景信号。这一发现于天文学的历史之上留下了极为浓重的一笔, 原因在于它为热大爆炸宇宙学说提供了最为关键的证据。然而在当时, 人们觉得CMB在各个不同的位置、各个不一样的方向上都是全然相同的, 婴儿时期的宇宙均匀得没有任何特征。
首次真正揭开CMB神秘面纱的, 那些当中, 要数美国宇航局在1989年发射的宇宙背景探测者（COBE）卫星。这枚卫星, 它精确测量了CMB黑体辐射谱, 借此验证了热大爆炸学说。并且, 它在背景温度为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。还更进一步扩展了人类认知宇宙的视野。
要是讲原初核合成跟2.73开氏度的CMB黑体谱一块儿证实了宇宙在童年阶段的成长进程, 那么CMB谱上这些细微的各向异性温度涨落就为认识宇宙在原初婴儿时期的模样提供了一个窗口。
后来的二十多年里头, 美国宇航局有着代号威尔金森微波各向异性探测器的卫星发射到空中, 欧洲空间局也发射了普朗克卫星, 它们让CMB天图分辨率大幅提升, 还使人类能靠近大爆炸奇点这个物理理论的“禁区”。
相继成功通过众多具备高精度的天文实验的检验以后, 热大爆炸学说进阶成为现代宇宙学的标准理论模型, 它所描绘的基本图像是, 大概在138亿年之前, 我们所处的宇宙产生于一个时空奇点的大爆炸, 历经漫长岁月的洗礼, 它从处于极高温的混沌状态起始演变, 逐步形成基本粒子、核子, 随后经由原初核合成产生氢和氦的原子核, 之后大概38万年, 宇宙之中形成稳定的中性氢原子与早期CMB, 紧接着在原初密度涨落的作用下, 又渐渐形成由宏观物质构造起来的大尺度结构雏形。当时间行至宇宙4亿岁的时候, 第一代恒星终于是形成了, 最早的星系以及类星体诞生于大爆炸之后大概十亿年。自那之后, 由星系、星系团等所构成的宇宙大尺度结构开始去形成。最终, 我们所处的宇宙演化到当下由暗能量驱动的加速膨胀这般状态。
宇宙需要一个奇点吗
在热大爆炸宇宙学里, 其中包含暴胀过程, 密度极大且温度极高的奇点是不可避免出现的。而在反弹宇宙图像当中, 宇宙先是进行收缩, 之后反弹进入热大爆炸膨胀阶段, 如此便避免了令科学家头皮发麻的奇点问题。
宇宙的故事, 看着并非那般简洁明了, 当反演宇宙演化至恰似刚刚呱呱坠地的婴儿时期, 热大爆炸学说自身就面临着初始条件选取的难题, 比如说, 究竟是什么致使了如今的宇宙在大尺度上呈现出均匀且各向同性, 与此同时又具备各种星系、星系团等结构, 故事的起始——大爆炸奇点真的存在吗, 在那一刻宇宙发生了什么, 人类于与热大爆炸学说这般匹配的CMB黑体谱上发现了微小的各向异性温度涨落, 这又意味着什么。
那暴胀学说, 它可是一款专门为了去描述宇宙在原初时期动力学情况而精心量身打造出来的宇宙学图像。它持有这样的观点, 在大爆炸之后大概10 - 36秒到10 - 32秒这个短暂无比的时间范围之内, 宇宙的单位空间尺度被放大约1080倍。这就仿佛在一瞬间把处于亚原子尺度的空间给扩张到了太阳系尺度般, 通过这样的方式能够抹平原初宇宙原本可能存在的不均匀性, 紧接着也就很自然地把我们今天所看到的均匀宇宙给解释清楚。然而, 本应处在微观世界的量子涨落, 也被拉扯到宏观尺度之上了, 致使CMB温度涨落得以产生, 还导致了原初密度扰动的出现, 并且为大尺度结构的形成埋下了种子。
也就是说, 从咱们如今所见到的CMB温度涨落, 再到星系, 接着是恒星, 然后是地球, 甚至是我们自身, 全都是经由婴儿时期宇宙之内的量子涨落演化而产生的。所以, 在暴胀学说里当前宇宙的均匀性以及大尺度结构的形成获得了极为自然的解释, 我们无需再给热大爆炸宇宙设定各类苛刻的初始条件。
然而, 在暴胀学说里, 大爆炸奇点仍旧是无法避免的。这表明, 暴胀自身是个不完整的理论, 就是我们不清楚暴胀怎样开始, 并且也不晓得在暴胀之前发生了啥。在这样的背景状况下, 一系列替代理论随之产生了, 其中最具代表性的便是反弹宇宙学。
具备实现反弹宇宙图像功能的各式各样理论模型是极为众多的, 像加拿大麦吉尔大学的罗伯特·布兰登伯格教授同英国朴茨茅茨大学的大卫·沃兹在1999年时期提出了物质反弹模型, 中国科学院高能所张新民研究员以及其团队于2007年之际提出了精灵反弹模型等情况。在笔者跟多位同事历经多年的不懈努力时, 潜藏于这些模型背后用以支撑反弹宇宙学的扰动理论慢慢地得以成型, 并且还揭示出反弹学说绝对是能够解释热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难不解之事的。在这类理论图像里, 大爆炸之前的宇宙置身于一个收缩进程, 其体积持续变小, 直至某一时刻宇宙收缩至一个极小值, 随后反弹步入标准的热大爆炸膨胀阶段, 可见, 反弹学说的提出, 不但承袭了热大爆炸宇宙学的成功之处, 还规避了那个会令宇宙学家头皮发麻的时空奇点, 所以, 它进一步推进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
与构建宇宙最初模样相关的CMB中的原初B模偏振物理学家宇宙起源简介，人类一直都没能找到它。科学家已经在智利展开了CMB观测, 并在南极规划了CMB观测, 我国的阿里原初引力波望远镜也会将这一“宇宙级”问题作为瞄准的目标。
极早期宇宙到底经历何等过程, 是暴胀, 是反弹, 还是二者结合? 对于研究极早期宇宙的物理学家而言物理学家宇宙起源简介贝语网校，一项务必重视的任务乃是借由实验观测去做检验区分。上述模型给出的理论预言, 恰好能够借助对CMB的高精度测量予以检验。
宇宙早期时, 光子与电子会产生汤姆森散射, CMB光子不但携带着先前所说的黑体谱以及温度涨落的信息, 而且还存在偏振状态, 它们构成两种差异显著的图样, 即电场型E模式与磁场型B模式。
当宇宙学家于研究CMB的偏振涨落之际发现, 原初宇宙里的张量扰动, 具体而言即那原初引力波, 能够径直致使CMB拥有B模式的偏振信号。也就是说, 去寻觅原初引力波的B模偏振，是能够为极早期宇宙的研究给予线索的。
这一发现, 正式打响了发令枪, 该发令枪用于利用精确宇宙学实验对原初宇宙图景展开探索、进行检验。宇宙学家曾尝试借助WMAP等卫星实验, 利用将近15年的数据, 去重构原初扰动, 甚至是原初宇宙的模样。然而, 令人遗憾的是, 一直到现在, CMB中的原初B模偏振依旧未曾被直接观测到。
近几年来, 从事研究工作的人员转而投身于性价比相对更高, 并且能够维持运行更持久、更为稳定的地面CMB观测实验。到现在为止, 已经建设完成以及正在规划当中的地面CMB偏振实验, 都集中于智利这片区域以及南极地区, 然而北半球在这方面却是处于空缺状态的。
是为了促使中国宇宙学于CMB相关方面开展实验研究, 中国科学院高能所的宇宙学团队起了牵头作用, 与国内外好多顶级宇宙学研究单位联合起来, 正在我国西藏阿里地区着手建造北半球第一个CMB极化望远镜, 也就是阿里原初引力波望远镜。
其项目拟定于二零二零年, 于阿里天文台海拔五千二百五十米之处, 建成阿里一号望远镜并开启观测, 于北天区率先达成对原初引力波的探测。与此同时, 阿里计划还会同南半球的CMB实验展开合作, 形成一南一北的布局, 针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）