宇宙大爆炸有没有发生过?天文学界爆发激烈争论 | 特邀学界大咖深度解读

作者: 蔡一夫、李春龙(中国科学技术大学)等

来源: 环球科学

发布日期: 2017-05-19

《科学美国人》2017年2月刊登的文章引发了一场关于宇宙起源的激烈争论,特别是关于暴胀学说的有效性。文章提出宇宙可能并非始于大爆炸,而是从一场“火劫”中反弹形成。33名顶尖物理学家发表联合署名公开信质疑文章观点,引发学界广泛讨论。暴胀学说支持者指出,暴胀模型已经通过大量实验验证,成为宇宙学主流观点。反对者则认为暴胀理论存在不可检验的问题,特别是关于永恒暴胀和多重宇宙的假设。国内学者也参与讨论,认为暴胀理论虽成功,但仍需更多实验检验。

宇宙时空的起源是科学中最神秘、也最具争议的问题之一。《科学美国人》在2017年2月刊登的文章“Pop Goes the Universe”反驳了目前的主流学术观点——宇宙在极早期经历了一段被称为暴胀的极速膨胀时期。该文作者倡导了另一种观点——我们的宇宙并非创生于暴胀学说中的大爆炸奇点,而是从一场“火劫”中开启的。

根据这一观点,宇宙在大爆炸之前经历了一段收缩过程,收缩到一定程度时发生反弹,从而形成我们今天看到的宇宙。

在由Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt和Abraham Loeb撰写的文章“Pop Goes the Universe”中,作者力推火劫反弹学说。在文章的最后一部分,IS&L表示“暴胀宇宙学不能用科学方法来评估”。

接着,他们声称一些接受暴胀学说的科学家提议“抛弃科学的标志性特点:可检验性,而这个主张“促使某些非实(经)验主义科学的理论抬头”。我们并不知道这些科学家指的是谁,也无法同意这篇文章中的一些论述。

毫无疑问,暴胀学说已经成为当今宇宙学的主流观点。全世界的大批科学家多年来都致力于探索研究各种暴胀模型,并将这些模型的预言与实验观测进行比较。

通过查询高能物理数据库INSPIRE,大家就能发现“暴胀”是个高频词汇:迄令为止,标题或摘要中包含“暴胀”的论文超过14000篇,这些论文出自9000多名科学家之手。IS&L的论述(暴胀宇宙学不能用科学方法来评估)忽略了这些研究。除此以外,若干大型国际合作实验项目的结果清楚地表明,暴胀不仅可以被检验,而且在经受大量检验后依然存活了下来。

虽然原则上科学家需要检验大量的暴胀模型,但有一类简单的暴胀模型(术语为“单场慢滚”模型)可以给出与大多数观测十分接近的预言,这些预言早在几十年前就已被清楚地提出。这类“标准”的暴胀模型具有很好定义且得到了广泛研究。虽然其中一些已经被精确的实验数据排除了,但仍有许多模型在实验检验方面十分成功。

令人瞩目的是,从1992年宇宙背景探测器(COBE)卫星的结果开始,大量的实验都证实以上预言精确描述了我们的宇宙。宇宙平均质量密度的测量现已精确到百分之0.5左右的精度,并且与暴胀的预言符合得十分完美。在暴胀刚提出时,平均质量的不确定性至少是目前的三倍,所以这是一个让人印象深刻的成功。

另外两颗卫星,威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)与普朗克卫星进一步精确测量了CMB的温度涟漪,还有许多基于地面与气球的实验也进行了相关测量,它们均证实了原初涨落的确几乎是标度不变的,并且具有十分精确的绝热性与高斯性,正如标准暴胀模型事先所预言的那样。

我们对宇宙的了解尚不完备,但这绝不应当成为忽视标准暴胀模型在实验上已获得巨大成功的理由。

在暴胀模型诞生后的35余年中,它已经逐渐成为描述宇宙演化早期阶段与大尺度结构形成的主流观点。没有人声称暴胀是正确无误的,科学理论并不会像数学定律那样得到严格证明。但随着时间流逝,更加精确的实验检验和理论上的进步将会使成功的理论变得越来越好。这正是暴胀理论正在经历的过程。这一过程会继续下去,许多选择这个充满活力的领域的科学家都会积极参与进来。

我们是三名独立的思考者,分别代表了不同年龄段的科学家。我们的文章不是刻意掀起过去的争论,而是讨论最近的实验观测带来的影响以及指出尚未解决的问题,这给年轻一代宇宙学家做出有深远影响的工作提供了机会。我们希望读者可以回顾我们文章的最后一部分,我们反对盲从权威,呼吁以开放的姿态认清当前观念存在的缺陷,为解决这些问题投入新的努力,并且对于新观点进行开放式探索。这才是我们所坚持的原则。

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