“宇宙膨胀”：早期宇宙膨胀了吗？时光倒流的镜像宇宙可能是一个更简单的解释

一道明亮的白光位于中心，向左右两侧喷出五颜六色的气体和粒子，右边是暖色，左边是冷色，就像一个侧面倾斜的沙漏。（图片来源：Neil Turok，CC BY-SA）

（蜘蛛网eeook.com）据美国太空网（Neil Turok）：这篇文章最初发表在The Conversation上。该出版物为Space.com的《专家之声：观点与见解》撰稿。

Neil Turok是爱丁堡大学希格斯理论物理系主任。

我们生活在一个了解宇宙的黄金时代。我们最强大的望远镜揭示，在最大的可见尺度上，宇宙出奇地简单。同样，我们最强大的“显微镜”，大型强子对撞机，在最小的尺度上没有发现与已知物理学的偏差。

这些发现并不是大多数理论家所期望的。今天，占主导地位的理论方法结合了弦理论和“宇宙膨胀”，弦理论是一个强大的数学框架，迄今为止还没有成功的物理预测，“宇宙膨胀“是指在很早的阶段，宇宙的大小急剧膨胀。结合起来，弦理论和暴胀预测宇宙在微小尺度上是极其复杂的，在非常大的尺度上是完全混乱的。

预期复杂性的性质可能呈现出多种令人困惑的形式。在此基础上，尽管没有观测证据，许多理论家仍提倡“多元宇宙”的概念：一个由许多宇宙组成的不受控制和不可预测的宇宙，每个宇宙都有完全不同的物理性质和规律。

到目前为止，观察结果恰恰相反。我们应该如何看待这种差异？一种可能性是，宇宙表面的简单性只是我们今天可以探测的有限尺度范围的意外，当观测和实验达到足够小或足够大的尺度时，所声称的复杂性就会显现出来。

另一种可能性是，宇宙在最大和最小的尺度上都是非常简单和可预测的。我认为应该更加认真地对待这种可能性。因为，如果这是真的，我们可能比想象中更接近理解宇宙最基本的谜题。一些答案可能已经摆在我们面前。

当前的正统观念是数千名严肃理论家几十年努力的结晶。根据弦理论，宇宙的基本构建块是微小的、振动的环和亚原子弦。根据目前的理解，只有当空间的维度比我们所经历的三个维度更多时，该理论才有效。因此，弦理论家认为，我们没有检测到它们的原因是它们很小并且卷曲。

不幸的是，这使得弦理论很难测试，因为小维度卷曲的方式几乎难以想象，每种方式在剩余的大维度上都给出了不同的物理定律。

与此同时，宇宙膨胀是20世纪80年代提出的一种情景，用来解释为什么宇宙在我们所能看到的最大尺度上如此平滑和平坦。这个想法是，婴儿宇宙很小，很颠簸，但一次极端的超快速膨胀使它的大小大大膨胀，使其变得平滑，并使其变得平坦，与我们今天看到的一致。

通货膨胀也很受欢迎，因为它可能解释了为什么早期宇宙中的能量密度因地而异。这很重要，因为密度较大的区域后来会在自身重力作用下坍缩，为星系的形成埋下种子。

在过去的三十年里，通过绘制宇宙微波背景图（大爆炸的辐射）和绘制星系的三维分布图，密度变化的测量越来越准确。

在大多数膨胀模型中，早期的极端膨胀爆发使宇宙变得平滑和平坦，也产生了长波引力波——时空结构中的涟漪。如果观察到这种波动，那将是一个“确凿无疑”的信号，证实通货膨胀确实发生了。然而，到目前为止，观测结果未能检测到任何此类信号。相反，随着实验的稳步改进，越来越多的通货膨胀模型被排除在外。

此外，在通货膨胀期间，不同的空间区域可能会经历非常不同的膨胀量。在非常大的尺度上，这产生了一个后膨胀宇宙的多元宇宙，每个宇宙都有不同的物理性质。

根据宇宙膨胀模型的宇宙历史。（图片来源：维基百科，CC BY-SA）

通货膨胀情景基于对现有能源形式和初始条件的假设。虽然这些假设解决了一些难题，但它们也创造了其他难题。弦和暴胀理论家希望在巨大的暴胀多元宇宙中的某个地方，存在一个具有与我们看到的宇宙相匹配的正确属性的空间和时间区域。

然而，即使这是真的（还没有发现这样的模型），对理论的公平比较也应该包括一个“奥卡姆因子”，量化奥卡姆剃刀，它惩罚了具有许多参数和可能性的理论，而不是更简单、更具预测性的理论。忽视奥卡姆因素相当于假设除了复杂的、不可预测的假设之外别无选择——我认为这一说法几乎没有根据。

在过去的几十年里，有许多实验和观测机会来揭示弦理论或暴胀的具体信号。但没有人看到。一次又一次，观察结果比预期的更简单、更微小。

我认为，现在是时候承认这些失败并从中吸取教训，开始认真寻找更好的替代方案了。

最近，我和我的同事Latham Boyle试图建立更简单、更可测试的理论，以消除暴胀和弦理论。从观测中得到启示，我们试图用最少的理论假设来解决一些最深刻的宇宙难题。

我们第一次尝试的成功超出了我们最乐观的希望。时间会证明它们能否经受住进一步的审查。然而，我们已经取得的进展让我相信，很可能有标准正统观念的替代品——这已经成为我们需要打破的束缚。

我希望我们的经验能鼓励其他人，尤其是年轻的研究人员，在观察的简单性的强烈指导下探索新的方法，并对长辈的先入为主的观念持怀疑态度。最终，我们必须向宇宙学习，并使我们的理论适应它，而不是相反。

博伊尔和我从解决宇宙学最大的悖论之一开始。如果我们使用爱因斯坦的引力理论和已知的物理定律，在时间上回溯膨胀的宇宙，空间会缩小到一个点，即“初始奇点”。

在试图理解这个无限密集、炽热的开端时，包括诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯在内的理论家指出，支配光和无质量粒子的基本定律中存在深刻的对称性。这种对称性被称为“共形”对称性，意味着在大爆炸中，光和无质量粒子实际上都没有经历空间的收缩。

通过利用这种对称性，人们可以一直跟随光和粒子回到起点。通过这样做，博伊尔和我发现我们可以将初始奇点描述为一个“镜子”：一个时间上的反射边界（时间在一边向前移动，在另一边向后移动）。

把大爆炸想象成一面镜子，可以很好地解释宇宙的许多特征，否则这些特征可能会与最基本的物理定律相冲突。例如，对于每一个物理过程，量子理论都允许一个“镜像”过程，在这个过程中，空间被反转，时间被反转，每个粒子都被其反粒子（一种在几乎所有方面都与之相似的粒子，但带有相反的电荷）所取代。

根据这种强大的对称性，称为CPT对称性，“镜像”过程应该以与原始过程完全相同的速率发生。关于宇宙最基本的谜题之一是，它似乎[违反了CPT对称性]，因为时间总是向前发展的，粒子比反粒子多。

我们的镜像假说恢复了宇宙的对称性。当你照镜子时，你会看到镜子后面的镜像：如果你是左撇子，镜像就是右撇子，反之亦然。你和镜像的组合比你独自一人时更对称。

同样，当波义耳和我通过大爆炸推断我们的宇宙时，我们发现了它的镜像，一个爆炸前的宇宙，其中（相对于我们）时间向后运行，反粒子的数量超过了粒子。为了使这张照片真实，我们不需要镜像宇宙在经典意义上是真实的（就像你在镜子里的形象不是真实的一样）。支配原子和粒子微观宇宙的量子理论挑战了我们的直觉，因此在这一点上，我们能做的最好的事情就是将镜像宇宙视为一种数学装置，确保宇宙的初始条件不违反CPT对称性。

令人惊讶的是，这张新照片为未知的宇宙物质暗物质的性质提供了重要线索。中微子是非常轻的幽灵般的粒子，通常以接近光速的速度移动，并且在移动时会像微小的顶部一样旋转。如果你把左手的拇指指向中微子移动的方向，那么你的四个手指就会指示它旋转的方向。观测到的轻中微子被称为“左旋”中微子。

重的“右手”中微子从未被直接观测到，但它们的存在是根据观测到的轻左手中微子的性质推断出来的。稳定的右手中微子将是暗物质的完美候选者，因为除了引力之外，它们不会与任何已知的力耦合。在我们工作之前，我们不知道它们是如何在炎热的早期宇宙中产生的。

我们的镜像假说使我们能够准确计算出会形成多少，并表明它们可以解释宇宙暗物质。

一个可测试的预测随之而来：如果暗物质由稳定的右手中微子组成，那么我们所知道的三个轻中微子中的一个必须完全没有质量。值得注意的是，这一预测现在正在使用大规模星系调查对物质引力聚集的观测进行测试。

受到这一结果的鼓舞，我们着手解决另一个大难题：为什么宇宙在最大的可见尺度上如此均匀和空间平坦，而不是弯曲？毕竟，宇宙膨胀情景是由理论家发明的，以解决这个问题。

熵是一个概念，它量化了物理系统可以排列的不同方式的数量。例如，如果我们把一些空气分子放在一个盒子里，最有可能的配置是那些使熵最大化的配置——分子或多或少地在整个空间中平滑分布，并或多或少地平均分配总能量。这些论点用于统计物理学，该领域是我们理解热、功和热力学的基础。

已故物理学家斯蒂芬·霍金及其合作者著名地将统计物理学推广到包括引力。他们用一个优雅的论点计算了黑洞的温度和熵。利用我们的“镜像”假设，博伊尔和我设法将他们的论点扩展到宇宙学，并计算了整个宇宙的熵。

令我们惊讶的是，熵最高的宇宙（这意味着它最有可能，就像原子在盒子里扩散一样）是平的，并且以加速的速度膨胀，就像真实的宇宙一样。因此，统计论证解释了为什么宇宙是平坦光滑的，并且有一个小的正加速膨胀，而不需要宇宙膨胀。

在我们对称的镜像宇宙中，通常归因于通货膨胀的原始密度变化是如何产生的？最近，我们证明了一种特定类型的量子场（零维场）会产生我们观察到的密度变化类型，而不会发生膨胀。重要的是，这些密度变化并没有伴随着暴胀预测的长波引力波，也没有被发现。

这些结果非常令人鼓舞。但需要更多的工作来证明我们的新理论在数学上是合理的，在物理上也是现实的。

即使我们的新理论失败了，它也给了我们一个宝贵的教训。对于宇宙的基本性质，可能有比标准正统提供的解释更简单、更强大、更可测试的解释。

通过直面宇宙学的深层谜题，在观测和探索尚未探索的方向的指导下，我们可能能够为基础物理学和我们对宇宙的理解奠定更安全的基础。