麻省理工科技评论 2017-05-12 23:09:02
宇宙学家有一项神圣的职责，那就是揭开宇宙演化运行的内在规律。但在大部分的外人眼里，他们的工作似乎与占卜师没什么两样。不过，你千万不要因此就公开指责他们的工作不是科学，否则的话后果会非常难堪。
图 | 其中五名联合署名进行回击的科学家：Stephen Hawking、John C. Mather、George F. Smoot III、Steven Weinberg、Frank Wilczek（从左至右），其中包括四名诺贝尔奖获得者。
但真理面前从来不缺乏挑战者。最近，《Scientific American》（科学美国人）杂志的一篇文章就对宇宙学中的一个经典理论提出了质疑，以至影响越来越大，包括霍金在内的 33 名宇宙学家（完整名单见文末），其中有 4 名诺贝尔奖获得者，联名回信进行反击。以下是这 4 名诺奖得主的简单介绍：
John C. Mather，美国NASA戈达德航天中心的高级天体物理学家。他和George F. Smoot III因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性共同获得2006年的诺贝尔物理学奖。
George F. Smoot III，美国加州大学伯克利分校宇宙物理中心主任。他和John C. Mather因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性共同获得2006年的诺贝尔物理学奖。
Steven Weinberg，美国得克萨斯大学物理系教授。因实验验证了由于Z玻色子与电磁作用混合引起的宇称破缺，Weinberg和另两位科学家共同获得了当年1979年诺贝尔物理学奖。
Frank Wilczek，麻省理工学院物理学教授。在普林斯顿大学读博士期间，Wilczek和他的导师戴维?格娄斯发现了量子色动力学中的渐近自由，因此共同获得2004年诺贝尔物理学奖。
此次处于争议旋涡焦点的是宇宙暴胀理论——这是由麻省理工学院教授 Alan Guth 在 1980 年提出的一个假说，其认为宇宙自大爆炸之后，就立即开始像一个充气的气球那样膨胀，在慢慢平静之后直到达到我们现在的状态。
与其他理论相比，宇宙暴胀理论更像是一种辅助性的理论，恰似七巧板上的最后一块方块，它的出现可以很好地印证诸多宇宙学难题的正确性，包括像视界疑难、平坦性疑难和磁单极子等几个问题都在其“帮助”下得到了证实。
而且，随着观测手段的进一步发展，有越来越多的假说都被暴胀理论证明是可信的。而受限于观测手段的不足，暴胀理论一直没有被验证过。如果有朝一日暴胀本身产生的原初引力波在微波背景辐射上被观测到，那将会真正的验证暴胀理论的真实性。
然而，这次的质疑者认为，从本质上讲这一理论并不具有科学性。言论一出，自然是引起了科学界的一阵骚动，因为这种说法就相当于说艺术家的作品“不是艺术”，厨师的作品”不是食物”一样荒谬。
事情的起因是来自普林斯顿大学的物理学家 Anna Ijjas 和 Paul J. Steinhardt，哈佛大学物理学家 Abraham Loeb 的一篇名为《Pop Goes the Universe》的文章。该文章发表在今年 2 月的《科学美国人》杂志上。在这篇文章中，暴胀理论受到了挑战。
这篇文章认为，对宇宙微波背景的最新观测结果标明，暴胀理论可能存在问题。如果暴胀过程真的发生过，应该会在宇宙微波背景中留下温度变化的痕迹，以及产生原初引力波，而这种有引力波却一直未被找到。正因如此，宇宙学家们应该考虑放弃这种被大多数人所接受的理论，转而去探索关于宇宙起源的其他思路。
图丨质疑者包括普林斯顿大学物理学家 Anna Ijjas 和 Paul J. Steinhardt，以及哈佛的物理学家Abraham Loeb（从左至右）
实际上，这种质疑并非第一次被提出，但最近的这篇文章结论的一句话真是让人大吃一惊：”就我们目前所了解的，宇宙膨胀理论是不能用科学方法检测到的。” 质疑者之一的哈佛大学物理学教授 Paul J. Steinhardt认为，这个结论换句话说就是，目前主导宇宙形成的理论是经不起推敲的，因此是不科学的。
这篇文章认为，天文观测结果使得支撑膨胀理论的相关模型看起来有很大的问题。相反，观测数据支持了与膨胀理论截然相反的观点：自塌缩之后，宇宙是”收缩”回到今天的样子的，即所谓的“大反弹”理论。
“大反弹”理论认为，宇宙并非一定要从一个所谓的“奇点”诞生，而是从上一个宇宙的崩塌中反弹而生。这项理论基于所谓“圈量子引力”(LQG)，这是统一量子力学与广义相对论的一项尝试，而它本身便是引力对宇宙产生作用的表现形式。
在圈量子引力理论下，引力可以随着宇宙密度的上升而成为一种反弹力，就像弹簧被压缩到一定的程度之后就会变得更难继续进一步压缩。在这一模型中，不再有大爆炸的存在。
总之，如果按照这篇文章中所说的“大反弹”理论是成立的话，大家传统所认知的宇宙大爆炸起源说将不复存在。
图丨宇宙暴胀理论的提出者麻省理工学院教授Alan Guth
面对这篇文章的“挑衅”，支持宇宙暴胀理论的科学家们自然是感觉受到了羞辱。宇宙暴胀理论的提出者、麻省理工学院教授Alan Guth联合麻省理工学院物理学家David Kaiser、斯坦福大学的Andrei Linde，以及加州伯克利的Yasunori Nomura，联名写了回复，并召集了整个物理学界的有头有脸的人物联合署名。
这些科学家表示：“我们尤其无法接受文章说暴胀理论是没有经过检验的”。Alan Guth教授也表示，“我们认为是时候该有人出来提反对意见了。”
这篇回复同样也刊登在《科学美国人》杂志上，总结了物理学家们的不满——暴胀理论不仅仅只是一个理论，它更多的是许多模型的集合。诚然，从来也没有人说所有的模型都是正确的，但其中的一些模型也确实实现了正确的预测，比如宇宙的平均质量密度。而且，这些模型也正在更多的数学理论和观测结果的修正下，日益准确。
图丨Alan Guth对宇宙暴胀论的解释
但是，回信的主要观点是：尽管暴胀模型成为目前主流的解释宇宙的方法，但它们还是应该经受检验的科学。而且，如果合适的证据出现，这些模型可以被推翻。
许多联合署名者们对质疑宇宙暴胀理论的文章表现出极大的困惑。斯坦福大学理论物理学家 Renata Kallosh 在一封电子邮件中表示，她曾经回顾过Steinhardt的一些论文，其中不乏一些错误。
麻省理工学院理论物理学家和诺贝尔奖获得者Frank Wilczek也表示：“这真是太荒唐了”，质疑文章非常具有”偏见性”，这种对宇宙暴胀理论选择性的解释无异于诽谤。不过，他同样也对回信心存疑虑，认为信中所做的解释也有些矫枉过正了。
图丨麻省理工学院理论物理学教授、2004年诺贝尔物理学奖获得者Frank Wilczek
毕竟，所有的联合署名者，甚至是 Alan Guth 教授本人，都同意宇宙暴胀理论不是一个确定的事实——宇宙暴胀模型还并不完美，关于宇宙暴胀理论的解释也不是十分明确，所以自然而然就很容易产生分歧。
通常而言，人类通常是靠实践来判断一项理论是否可信，但就当前的情况来看，宇宙暴胀理论的确还有诸多亟待解决的难题。在这种情况下，我们能做的那么是积极探索，去努力回答这些问题，要么是另辟蹊径，提出一项全新的理论。
但不管怎么做，都不能因为一些问题没有得到回答而武断的否认其科学性。
图丨宇宙微波背景辐射
《科学美国人》的编辑 Clara Moskowitz 也表达了自己的观点：“我们的杂志就是一个适合科学家们发表观点和看法的平台，这里欢迎有关科学的正当讨论。”她很高兴看到有这么多科学家谈论这件事，而且也兼顾到了双方的不同声音，同样希望联合署名的科学家们也能发表相关的意见文章。
作为回应，质疑者表示：”我们敦促所有的同事们专注于解决未来的宇宙暴胀问题并保持开放的态度，同时尽量避免在一些尚不明确的其它理论中也出现相同的错误。”
不可否认的是，这些科学家们确实都希望用一个更加完美的理论来解释我们所生活的宇宙，每个人都在贡献自己的一份力量。
联名回信回击的 33 名宇宙学家全名单：
1、Alan H. Guth，麻省理工学院物理学教授
2、David I. Kaiser，麻省理工学院物理学教授
3、Andrei D.Linde，斯坦福大学物理学教授
4、Yasunori Nomura，加州大学伯克利分校物理学教授
5、Charles L.Bennett，约翰霍普金斯大学物理学教授
6、J. Richard Bond，加拿大多伦多大学教授
7、François Bouchet，巴黎天体物理研究所的普朗克研究员
8、Sean Carroll，加州理工学院的物理学家
9、George Efstathiou，剑桥大学宇宙学家
10、Stephen Hawking，剑桥大学物理学家
11、Renata Kallosh，斯坦福大学物理学教授
12、Eiichiro Komatsu，马普天体物理研究所物理宇宙学部主任
13、Lawrence Kraus，亚利桑那州立大学的理论物理学教授
14、David H.Lyth，兰开斯特大学物理教授
15、Juan Maldacena，普林斯顿高等研究院物理学教授
16、John C. Mather，NASA戈达德航天中心的高级天体物理学家；2006年诺贝尔物理学奖得主
17、Hiranya Peiris，伦敦大学学院天体物理系教授
18、Malcolm Perry，剑桥大学理论物理学教授
19、Lisa Randall，哈佛大学物理教授
20、Martin Rees，剑桥大学天体物理学教授
21、Misao Sasaki，京都大学理论物理学教授
22、Leonardo Senatore，斯坦福大学物理学助理教授
23、Eva Silverstein，斯坦福大学物理学教授
24、George F. Smoot III，伯克利宇宙物理中心主任；2006年诺贝尔物理学奖得主
25、Alexei Starobinsky，莫斯科理论物理研究所首席研究员
26、Leonard Susskind，斯坦福大学物理学教授
27、Michael S. Turner，芝加哥大学天体物理学教授
28、Alexander Vilenkin，塔夫斯大学宇宙学教授
29、Steven Weinberg，德克萨斯大学物理系教授；1979年诺贝尔物理学奖得主
30、Rainer Weiss，麻省理工学院物理学教授
31、Frank Wilczek，麻省理工学院物理学教授；2004年诺贝尔物理学奖得主
32、Edward Witten，普林斯顿高等研究所物理学教授；1990年菲尔兹奖得主
33、Matias Zaldarriaga，普林斯顿高等研究院天体物理学教授
相关阅读：
大爆炸还是大反弹？宇宙起源有新说
时间: 2017年04月27日 | 作者: Sean Carroll | 来源: 金融时报
宇宙起源于大爆炸？其实还有一种可能：宇宙在大爆炸之前也是存在的
宇宙究竟是一直以来就有，并将一直膨胀下去？还是存在一个开端，在此之前没有时间的概念？很难说哪种方式更能解释我们的存在，或是哪种方式更令人难以理解。
你也许觉得，宇宙起源问题早在20世纪就已经被标准大爆炸模型成功解决了。我们身处的宇宙一直在膨胀——遥远的星系仍在离我们远去。物理学家将这一现象解释为空间自身的拉伸。
现在让我们倒序放映这部宇宙大片。随着时间推向过去，宇宙变得越来越热，也越来越致密。根据爱因斯坦的广义相对论方程，物质的温度和密度终将趋于无限大，那时，宇宙膨胀也变得无限快。我们将那个假想的时刻称为“大爆炸”。
大爆炸时刻发生了什么
我们可以说大爆炸是在某一时刻发生的，但不能说它是在空间上某一位置发生的。由于我们是在宇宙内部而不是宇宙外部进行观察，根据我们有限的经验，很容易认为它是在已有的空间中发生的爆炸。但这是不对的。从大爆炸那一刻起，空间才一下子出现，其密度与温度趋于无穷大，在此之后，随着空间的膨胀，宇宙不断冷却，变成今天的样子。
至少，宇宙学家就是这么告诉我们的。你常常听到他们说，大爆炸就是宇宙的起点，在此之前世间一片混沌。问“大爆炸从何而来”就好比问“北极之北在哪里？”不是我们不知道答案，而是这个问题似乎根本没有意义。
真的没有意义吗？将大爆炸作为时间起点是广义相对论的预言，而不是观测到的事实。很难想象那时到底是什么样的，因为早期宇宙太热太密，就连光线都走不了太远——没跑多远就会撞上大量带电粒子，光子和这些粒子频繁地发生碰撞反应，就”跑不动“了。所以原初的宇宙就是黑漆漆一片。
然而容易让人困惑的是，我们常常用“大爆炸”来指代两种截然不同的事物。第一种是上文所述假想的初始奇点；而第二种是“大爆炸模型”，它描述了宇宙从起始时刻开始的演化史。大爆炸模型认为，宇宙在百亿年前处于极端的状态——温度极高，物质密度极高且均匀分布在空间中。根据这个模型，随着宇宙的膨胀和冷却，引力将物质“拉拢”到一起才形成了恒星和星系。
大爆炸模型解释了宇宙自诞生以来的演化情况，它建立在牢固的观测基础之上，不容置疑。我们看到了星系退行；我们看到了星系和星团的形成；我们看到了大爆炸“核反应”遗留的元素；当然，我们还看到了大爆炸的“余晖”——微波背景辐射。
然而，我们对大爆炸时刻所知甚少。也许我们无法很快得到令人信服的答案，因为很难得到当时的实验证据。
预言了“大爆炸”的广义相对论是物理学中的丰碑。广义相对论还做出过很多其他预言：从光线弯曲到最近发现的引力波，并且在实验检验中满分通过。但事实上，这个理论在引力方面并不完善，特别是在极端条件下——比如大爆炸。
问题就在于广义相对论无法与量子力学“和平共处”。我们经常听到这样的说法：量子力学描述了很小尺度上发生的事件，比如亚原子领域的各种现象。但物理学家认为，量子力学在所有情况下都是准确的。宇宙早期的尺度很小，当时的量子力学效应当然很重要。但要解释量子力学如何融入大爆炸模型，广义相对论表示做不到。
所以，当被问起大爆炸时刻发生了什么时，我们最好回答：不知道。
当然，我们有相关的理论，物理学家也正致力于使这些理论更加精确、可验证。我们刚开始时提到的两种可能性——宇宙拥有一个开端，还是一直存在——都在热烈的讨论中。关于调和广义相对论和量子力学的新想法也有助于物理学家推进这些理论，给我们带来些许希望：也许某天我们能够充满信心地阐述大爆炸时刻发生了什么。
大爆炸之前
宇宙为什么有可能是永恒的？鉴于我们对早期宇宙缺乏了解，有这样的疑惑也在情理之中。真正的知识应基于实在的证据，而不仅仅是猜想。在假想的“大爆炸”后几秒内，宇宙就像个核聚变反应堆，将核子转化为氦、锂、氘等轻元素。
今天，我们通过测量宇宙深处这些轻元素的丰度，可以观测到这些早期反应的结果。测量结果和广义相对论以及传统宇宙学模型的预言吻合得相当好。早期宇宙的确极端致密，并且膨胀迅速。
那么，既然这些都是真的，更早一些时，宇宙理应更加致密，膨胀得更快。几乎可以肯定的是，大爆炸附近的某个时刻发生了一些意料之外的事情。会是什么呢？
最简单的答案是“反弹”。我们可以想像大爆炸之前，宇宙也是存在的，只不过它一直在收缩。而其微妙之处在于，由于某种原因，宇宙没有撞到一起变成密度无限大的诡异状态，而是发生“反弹”，转而进入膨胀的状态，演化为我们现在所知的世界。
说得更清楚些，这样的反弹完全不符合我们已知的物理定律。但是作为科学家，我们承认我们并非完全了解终极定律，特别是在与日常经验相去甚远的极端条件下。所以，宇宙在过去也很有可能发生反弹。
但是为什么呢？我们还是不知道，不过这并未阻碍理论物理学家通过丰富的想像力做出有理有据的猜测。有种简单的论调：我们对引力的理解还不够。当然，爱因斯坦的广义相对论通过了所有已有实验的验证，但是这些实验进行的环境与早期宇宙的极端条件完全不同。在足够致密的条件下，引力说不定不再是引力，而变成斥力。我们没有客观理由来认定它是对是错判断它的对错，但这确实是一种可能。
量子力学中的无限可能
也许我们应该做一个更加大胆的假设：量子力学改变了一切。量子力学与它的前辈，经典牛顿力学，的最明显差别在于，量子理论只允许我们预测系统处于某种状态的概率，我们无法提前知晓确切的结果。
但是两者的区别远不止于此。经典的粒子拥有可被测量的位置和速度。但量子力学表示根本不存在“位置”和“速度”，我们认为的“位置”和“速度”只是用于观测、量度物理系统的人工产物。
在量子力学中，真正存在的是波函数。波函数是一些由薛定谔方程演化而来的数学对象，我们可以通过波函数来计算实验中观测到某现象的概率。但是波函数不仅仅是用于计算的工具，它们是代表现实本身的最佳方式。
波函数是我们用于确定系统所处状态的最完整方式，即便它们总是为不同的测量对象赋予不同的概率（不确定性）。在这一点上，我们应当注意，对量子力学的解释是公认的棘手问题，在细节方面大家的意见并不一致。
量子力学中粒子的“位置”和“速度”并非基本概念，同样，“空间”本身也不是基本的。将“空间在膨胀”这一经典的陈述用量子语言改写后，就成了“宇宙的波函数是这样演化的：如果要测量宇宙的几何形态，我们很有可能观察到它是随时间膨胀的。”
预言了大爆炸奇点的广义相对论是个经典的理论。然而不幸的是，我们没有能够取代广义相对论的完整量子理论，至少现在还没有。所以我们所能做的最好表述就是：“宇宙的波函数极有可能这样演化：如果测量它在大爆炸附近的行为，我们很有可能观察到它发生反弹。”
或者，并没有。同样极有可能的是，量子力学允许宇宙拥有一个开端，即使这个开端比经典的大爆炸更让人匪夷所思。
我们并非完全了解终极定律，特别是在与日常经验相去甚远的极端条件下。
表面上看，薛定谔方程无可争议地主宰着波函数的演化：时间不断流逝，从无穷远的过去到无穷远的将来。但其中有个可能的漏洞：如果时间不是现实的基本要素……
物理学家们在讨论这样一种情况：时间可能是“涌现”的。涌现是讨论宏观物体（就像桌子椅子）的有效方法，但它并不讨论更深层结构（比如组成桌椅的基本粒子、力）。从这种观点看来，我们所感受到“时间的流逝”并非真正基本的自然运作方式，而只是有效的近似。它反映了宇宙波函数各部分之间的联系。
告诉我们波函数如何演化的薛定谔方程高度依赖于系统包含的能量。更恰当地说，方程依赖于系统可能所处的各个不同状态的能量（归根到底，这是量子“力学”）。高能态演化得快，低能态“悠哉”些，而零能态根本不发生演化。如果时间是涌现的而非基本的，那么宇宙的总能量很可能为零。这看起来很荒唐——包罗万物的宇宙中肯定会包含能量。
别着急。如果仔细研究广义相对论的数学形式，你会发现时空不但是弯曲的，而且它的曲率还常常与负能量相关。所以零能量的宇宙是完全有可能的。具体而言，我们的宇宙从物质、辐射中获得正能量，但这些正能量被由时空曲率带来的负能量完全抵消。所以，宇宙的总能量恰好为零。
如果真是这样，时间就可能是涌现的，存在一个时钟开始“滴答”的最早时刻——在那以前不存在时间的概念。那便是大爆炸发生的时刻。
撰文 Sean Carroll（加州理工大学理论物理学家）
翻译 金庄维
审校 蔡一夫 李春龙（中国科学技术大学天文系）
原文链接：
https://www.ft.com/content/f47b8310-0383-11e7-ace0-1ce02ef0def9![SiS001! Board - [第一会所 关闭注册]](images/green001/logo.png){kind=logo}
