一组科学家提出了一个关于膨胀宇宙的强有力新测试，该理论认为宇宙在大爆炸后的瞬间瞬间急剧膨胀，研究目标是深入研究一个长期存在的难题：大爆炸之前的宇宙是什么样子？虽然宇宙膨胀因解决了一些关于宇宙结构和演化的重要谜题而闻名，但其他非常不同的理论也能解释这些谜题。在其中一些理论中，大爆炸之前的宇宙状态（所谓的原始宇宙）正在收缩而不是膨胀，因此大爆炸是大反弹的一部分。
博科园-科学科普：为了帮助在宇宙膨胀和其他观点之间做出选择，不可避免地出现了可证伪性的问题，即一个理论是否可以通过检验来潜在地证明它是错误的。研究人员包括马萨诸塞州剑桥市天体物理学中心的艾维·勒布(Avi Loeb)。这引发了人们对宇宙膨胀的担忧，表明其看似无穷无尽的适应性，使得它几乎不可能得到恰当的检验。可证伪性应该是任何科学理论的一个标志，目前的膨胀宇宙形势是，这是一个非常灵活的想法，无法通过实验加以证明。
不管人们用什么来衡量某种可观察到的属性，总有一些宇宙膨胀模型可以解释它。现在，由CfA的陈新刚、勒布和哈佛大学物理系的钟志贤宇领导一个科学家团队，将他们所谓的“原始标准时钟”概念应用到非膨胀理论中，并提出了一种可能被用来在实验中模拟膨胀的方法，这项研究将作为编辑的建议发表在《物理评论快报》上。为了找到一些能将膨胀理论与其他理论区分开来的特征，研究小组首先确定了各种理论的定义性质——原始宇宙大小的演化。
艺术插图展示了原始标准时钟在不同原始宇宙理论中产生的信号模式，上部：大反弹，底部：宇宙膨胀。图片：CfA/Zhong-Zhi Xianyu, Xingang Chen, Avi Loeb
例如，在膨胀期间，宇宙的大小呈指数增长，在其他一些理论中，宇宙的大小会收缩，有些很慢，而另一些很快。到目前为止，人们提出用来测量的属性通常很难区分不同理论，因为它们与原始宇宙大小的演化没有直接关系，所以想找出哪些可观察到的属性可以直接与定义属性相关联。原始标准时钟产生的信号就可以达到这个目，那个钟是原始宇宙中任何一种重基本粒子。这样的粒子在任何理论中都应该存在，它们的位置应该以一定的频率振荡，就像钟摆的滴答声一样。
原始宇宙并非完全一致，在极小的尺度上存在着微小密度不规则性，这些不规则性形成了今天宇宙中观测到大规模结构的种子。这是物理学家了解大爆炸之前发生事情所依赖的主要信息来源。标准时钟的滴答声产生信号被印在这些不规则结构中。不同原始宇宙理论中标准时钟预测不同的信号模式，因为宇宙演化历史是不同的。如果把迄今为止我们所知道关于宇宙大爆炸之前发生的一切信息都想象成一卷胶片，那么标准时钟就会告诉我们这些胶片应该如何播放。
没有任何时钟信息，就不知道电影应该向前还是向后播放，快还是慢，就像我们不确定原始宇宙是膨胀还是收缩，以及膨胀的速度有多快一样。这就是问题所在，当电影在大爆炸前拍摄时，标准的时钟会在每一帧上盖上时间戳，并告诉我们如何播放这部电影。研究小组计算了这些标准时钟信号在非膨胀理论中应该是什么样子，并建议在天体物理观测中应该如何寻找它们。如果发现一种表示宇宙收缩的信号模式，就会证明整个宇宙膨胀理论是错误的。
这个想法的成功在于实验，这些信号很难探测到，所以我们可能不得不在许多不同的地方进行搜索。宇宙微波背景辐射就是这样一个地方，而星系的分布又是另一个地方，已经开始寻找这些信号，已经有一些有趣的候选信号，但我们需要更多的数据。未来的许多星系研究，如美国主导的LSST、欧洲的Euclid以及美国宇航局新近批准的SphereX项目，有望提供高质量的数据，用于实现这一目标。
博科园-科学科普｜研究/来自:哈佛史密森尼天体物理中心
参考期刊文献:《物理评论快报》,《arXiv》
Cite: arXiv:1809.02603
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