诺奖得主罗杰错了？“宇宙在大爆炸之前就存在”毫无根据可言！

我不是女神ヾ 2022-12-24 05:53 7阅读 0赞

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全文共**5239**字，预计学习时长**14**分钟

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彭罗斯的共形循环宇宙模型假设宇宙起源于一个已经存在的宇宙，该宇宙将在今天的宇宙中留下印记。这个神奇而富有想象力的理论是暴涨理论的替代品。尽管彭罗斯认为这个理论是正确的，但并没有数据来佐证。（SKYDIVEPHIL / YOUTUBE）

上个世纪最伟大的科学成就之一是著名的大爆炸理论：这个理论认为，今天所观察到的和置身其中的宇宙，是从更热、更致密、更均匀的前宇宙演化而来的。

最初，它被认为是对宇宙膨胀等某些主流解释的正式说法，但令人震惊的是，在20世纪60年代中期，随着“原始火球”的发现，这一理论得到了证实。“原始火球”保留了部分早期热而致密状态，也就是今天所知的宇宙微波背景。

虽然在此之前暴涨理论也存在过一段时间，但50多年来，作为描述宇宙起源的理论，大爆炸理论占据了至高无上的地位。

宇宙膨胀和宇宙大爆炸一直受到天文学家和天体物理学家的质疑，但每次新的、关键的观测结果出现时，这个理论都变得毋庸置疑。即使是2020年诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯尝试用共形循环宇宙理论来替代，也无法与大爆炸理论的成功相提并论。

与最近的头条新闻和彭罗斯的言论相反的是，没有证据表明 “宇宙在大爆炸之前就已经存在”。

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宇宙空间固有的量子涨落，在宇宙膨胀期间延伸到整个宇宙，引起了宇宙微波背景中的密度涨落，这反过来又产生了恒星、星系和今天宇宙中的其他大型结构。这是现有的最能体现整个宇宙如何运转的图片，膨胀在宇宙大爆炸之前形成。(E. SIEGEL，图片来自ESA/PLANCK和DOE/NASA/ NSF CMB跨部门研究工作组)

大爆炸通常被认为是一切的开始，也是空间、时间、物质和能量的起源。从某种古老的观点来看，这是有道理的。如果我们现在看到的宇宙正在膨胀，密度越来越小，那就意味着它在过去更小，密度更大。如果辐射——比如光子——存在于宇宙中，那么辐射的波长会随着宇宙的膨胀而延长，这意味着它在过去温度更高，且随着时间的推移而冷却。

在某一时刻，如果往前回溯，会得到密度、温度和能量，它们是如此之大，为奇点的产生创造了条件。如果距离标度太小、时间标度太短，或者能量标度太高，物理定律就不再有意义了。如果往前追溯138亿年，到达传说中的“0”点，这些物理定律会在10^-43秒（普朗克时间）时失效。

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宇宙膨胀的视觉历史包括被称为大爆炸的热而致密的状态，以及随后天体结构的生长和形成。包含对轻元素和宇宙微波背景的全部观测数据只能证明大爆炸造成了现在的宇宙。当宇宙膨胀随后冷却，形成离子、中性原子、分子、气体云、恒星，最后形成星系。（NASA / CXC / M. WEISS）

如果这是对宇宙的准确描述——起初热而致密，随后又膨胀和冷却，那么过去的历史会发生很大变化。

·        会大量生成可能出现的粒子和反粒子，但当宇宙温度过低而无法继续生成粒子时，多余的粒子会消失变为辐射。

·        当宇宙冷却到恢复对称性所需的能量以下时，电弱和希格斯对称性被破坏，从而产生四个基本力和静止质量非零的粒子。

·        夸克和胶子凝结形成质子和中子等复合粒子。

·        中微子停止与残存粒子的有效相互作用。

·        质子和中子融合形成轻核：氘，氦-3，氦-4和锂-7。

·        引力使过密的区域变大，而密度过高时，辐射压力会扩大这些区域，从而产生了一组振荡的，具有尺度效应的印痕。

·        在大爆炸之后大约380,000年，宇宙温度降低到足以形成中性、稳定的不会立即分离的原子。

最后一个阶段，先前从自由电子中散射出来的光子穿过宇宙，沿直线行进，随着宇宙的膨胀，这些光子波长变长，空间分布更分散。

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在早期高温宇宙中，中性原子形成之前，光子会以非常高的速率从电子（以及某种程度上说质子）中散射出去，从而传递动量。在中性原子形成后，由于宇宙冷却到低于某个特定的临界阈值，光子就会沿直线运动，只在波长上受空间膨胀的影响。(AMANDA YOHO)

大约55年前，科学家首次发现了这种宇宙辐射的背景，使宇宙大爆炸从宇宙起源的几个可行理论之一跃升为有数据佐证的唯一理论。

尽管大多数天文学家和天体物理学家立即接受了“大爆炸”，但领先的另类稳态理论的最坚决拥护者，如弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle），在面对这些数据时，却提出了越来越荒谬的论点，来捍卫自己已受影响的理论。

但是每个理论都失败了。宇宙一直是黑暗的，既没有反射光，也没有高温和产生辐射的尘埃。数据驳斥了每一个尝试过的解释：宇宙余辉的光谱呈现均匀的黑体分布，而且与宇宙中的物质无关，因此无法与这些替代性解释相一致。

在科学走向大爆炸成为共识的一部分（即未来科学的起点）的同时，霍伊尔和他的意识形态同盟通过倡导科学上站不住脚的替代品来阻止科学的进步。

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实际的太阳光（左侧的黄色曲线）与完美的黑体（灰色）的对比，表明太阳由于其光球的厚度而成为一系列黑体。右边是由COBE卫星实际测量的CMB的完美黑体。请注意，右侧的“误差线”达到惊人的400 sigma。理论和观测历史性地达到了一致，观测光谱的峰值决定了宇宙微波的剩余温度背景：2.73K。（WIKIMEDIACOMMONS USER SCH（L）；COBE / FIRAS，NASA / JPL-CALTECH（R ））

最终，科学在发展，而逆势主义者的工作变得越来越不相关，他们琐碎的错误结果逐渐变得晦涩难懂，研究计划也最终因他们的死亡而停止。

同时，从20世纪60年代到21世纪，天文学和天体物理学（尤其是关注宇宙的历史、增长、演化和命运的宇宙学子领域）取得了惊人的发展。

·        我们绘制了宇宙的大型结构图，发现了一个巨大的宇宙网。

·        我们发现了星系是如何生长和演化的，以及它们内部的恒星种群是如何随着时间变化的。

·        我们了解到，宇宙中所有已知形式的物质和能量不足以解释我们观察到的一切：需要某种形式的暗物质和某种形式的暗能量。

而且我们能够进一步验证“大爆炸”的其他预测，例如，预测轻元素的丰度、原始中微子群的存在，以及发现特定的密度缺陷促成了今天所观察到的大型宇宙结构。

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宇宙不仅会均匀地膨胀，而且其内部存在微小的密度缺陷，导致了恒星、星系和星系团的形成。在均匀的背景中添加密度不均匀性是理解宇宙的起点。（E.M. HUFF，SDSS-III团队和南极望远镜团队；由ZOSIA ROSTOMIAN绘制）

同时，毫无疑问，这些观测是正确的，但是不能很好地解释大爆炸。据称，宇宙在最初达到了这样的高温和高能量，但是今天看不到任何那个时候遗留下来的东西：没有磁单极子，没有巨统一性的粒子，没有拓扑缺陷等。从理论上讲，除了已知的事物之外，还必须存在一些事物可以解释所观测到的宇宙的信息，但即使它们曾经存在，我们也无法观测。

为了达到现在观测到的形态，宇宙的诞生必然伴随着一种非常特定的膨胀率，即将总能量密度精确地平衡到超过50个有效数字的膨胀率。大爆炸没有解释为什么会这样。

而且，不同空间区域具有相同精确温度的唯一方法是，它们处于热平衡状态：它们有时间相互作用和交换能量。但是，宇宙太大了，并且以某种方式膨胀，以至于有许多因此断开的区域。即使以光速行进，也不会发生这些相互作用。

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大爆炸留下的CMB并不均匀，有几百个微开尔文的温度波动。尽管这在后期很重要，但是在引力增长之后，重要的是，早期的宇宙以及当今的大规模宇宙，其不均匀性都低于0.01％。普朗克比以往任何时候都能够更好地检测和测量这些波动。（ESA /普朗克合作）

这对宇宙学以及整个科学提出了巨大的挑战。在科学中当遇到一些理论无法解释的现象时，有以下两种选择。

·        可以尝试提出一种理论机制来解释这些现象，同时保留先验理论的所有可行的解释，并做出与先验理论的预测不同的新颖预测。

·        或者可以简单假设没有任何解释，宇宙只是具有观测到的必需的属性而诞生的。

只有第一种方法具有科学价值，因此即使无法取得成果，这也是必须尝试的方法。扩展大爆炸最成功的理论机制是宇宙暴涨理论，它是大爆炸之前的一个阶段，在此阶段，宇宙以指数方式膨胀：将其展平，使其在各处具有相同的特性，能量密度与膨胀率相匹配，消除了任何以前的高能量遗留物，并作出了新的量子涨落预测（导致特定类型的密度和温度涨落），并叠加在了原本统一的宇宙之上。

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在第一幅图中，现代宇宙在任何地方都具有相同的属性（包括温度），因为它们起源于具有相同属性的区域。在第二幅图中，具有任意曲率的空间被膨胀到今天无法观测到任何曲率的程度，从而解决了平面度问题。并且在第三幅图中，高能量遗留物膨胀开来，从而解决了高能量遗留物问题。这就是暴涨理论解决了大爆炸本身无法解决的三个大难题。（E.SIEGEL /超越银河系）

尽管暴涨理论像之前的“大爆炸”一样，有很多不利因素，但在所有替代理论都失败的情况下，暴涨理论是成功的。它解决了“平稳退出”的问题，在这个问题中，指数级膨胀的宇宙可以过渡到一个充满物质和辐射的宇宙，该宇宙以与观测结果相匹配的方式膨胀，这意味着该理论可以重现著名大爆炸的所有成功。

它强行切断了能量，消除了任何超高能量的遗留物。它以极高的高度创建了一个统一的宇宙，其中膨胀率和总能量密度完美匹配。

它对天体结构的类型以及应该出现的初始温度和密度波动做出了新颖的预测，这些预测随后被观测结果证明是正确的。暴涨的预测主要是在20世纪80年代提出的，而在过去的30多年中，证实暴涨的证据不断涌现。尽管替代理论比比皆是，但没有一个能像暴涨理论一样成功。

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虽然预计许多独立的宇宙将在膨胀的时空中生成，但膨胀永远不会到此结束，而只会在由不断膨胀的空间分隔的不同的独立区域中产生。这就是产生多元宇宙的科学动机所在，也是两个宇宙不会发生碰撞的原因。由于单个宇宙内部粒子的相互作用，暴涨创造的宇宙根本不足以容纳所有可能的量子。（KAREN46 / FREEIMAGES）

不幸的是，尽管诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯在20世纪60年代和70年代有关广义相对论、黑洞和奇点的成果绝对是诺贝尔奖级别的，但他近年来在推翻暴涨理论上花费了大量精力推广一种不那么科学的替代理论，即他所钟爱的共形循环宇宙论(CCC)。

最大的预测差异是，CCC几乎要求在“宇宙大爆炸”之前的宇宙大型结构和宇宙微波背景中都必须显示“宇宙大爆炸之前的宇宙”的印痕：宇宙大爆炸的剩余辉光。

相反，暴涨要求在膨胀结束和大爆炸发生的任何地方都必须与任何先前、当前或未来的此类地区分离，并且不能与之相互作用。我们的宇宙存在彼此独立的属性。

这些观察结果（首先来自COBE和WMAP，最近来自Planck）明确地对任何此类结构都施加了极为严格的约束（以现有数据为限）。我们的宇宙没有印痕；没有重复的模式；没有不规则波动的同心圆；没有霍金点。当人们正确地分析数据时，可以明确的是暴涨与数据一致，而CCC显然不是。

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在大约10年的时间里，罗杰·彭罗斯一直在吹捧极其可疑的说法，即宇宙显示出各种特征的证据，例如低温变化的同心圆，这是由宇宙大爆炸之前产生的动力学产生的。这些特征不够强大，不足以为彭罗斯的主张提供支持。（V.G. GURZADYAN和R.PENROSE，ARXIV：1302.5162）

尽管与霍伊尔（Hoyle）一样，这不是彭罗斯一个人所言，但是数据却绝大多数都与他的主张相反。数据反驳了他所作的预测，只有以科学上不合理和不合法的方式分析数据，才能看到这些影响的说法是可以重现的。数以百计的科学家向彭罗斯指出了这一点（持续了十多年之久），彭罗斯继续无视这一领域，并继续他的主张。

像之前的许多人一样，他似乎已经深深地爱上了自己的想法，以至于他不顾现实去负责任地检验它们。然而这些测试已经存在，关键数据可以公开获得，彭罗斯不仅是错误的，还很容易证明他声称应存在于宇宙中的特征不存在。

霍伊尔可能会被拒绝授予诺贝尔奖，尽管他对恒星核合成做出了有价值的贡献，原因是他后来的立场不科学。尽管彭罗斯现在拥有诺贝尔奖，但他也屈从于同样的陷阱，真是令人遗憾。

虽然我们应该赞扬彭罗斯的创造力，并庆祝他的开创性、诺贝尔奖级别的研究成果，但我们也必须警惕，不要去崇拜任何伟大的科学家，如果他们的研究没有数据支持的话。

最后，无论是名人还是名利，都由宇宙本身来为我们辨别什么是真实的，什么仅仅是没有根据的假设，跟随宇宙的脚步吧，不论宇宙将把我们带去哪。

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编译组：齐欣、杨月

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