【博科园-科学科普】为了暴胀宇宙是一个科学理论（暴胀宇宙一种更新版的大爆炸理论）需要做三件事：首先必须复制之前的所有成功理论；第二需要解释一种新现象，而这一现象目前并没有被想要取代的理论解释；第三需要做出一个新的预测，然后可以测试新想法在哪里可以预测到完全不同的东西，或者从已经存在的理论中得到灵感。
我们今天所看到的恒星和星系并不总是存在，与我们离得越远，宇宙就越接近一个明显的奇点，但这种推断是有限度的。要想回到过去就需要对大爆炸进行修正：宇宙膨胀。图片版权：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
这样做法就是科学，成功地做到这一点会成为所的一个新的、领先的科学理论。许多杰出的物理学家最近都反对暴胀宇宙理论，有些人声称这甚至不是科学，但事实并非如此，暴胀宇宙理论不仅是科学，它现在是关于我们的宇宙起源的主要科学理论。
今天观察到的膨胀宇宙充满了星系和复杂的结构，是从一个更小、更热、更密集、更均匀的状态中产生的。图片版权：C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
宇宙大爆炸在20世纪60年代首次得到证实，当时科学家们观测到了宇宙微波背景。自从第一次发现了宇宙的余晖——宇宙微波背景辐射。从早期热而密集的状态预测，科学家已经能够验证和确认大爆炸的预测有很多重要的方法。宇宙的大尺度结构与在数十亿年的引力作用下形成的几乎一致的过去状态是一致的。哈勃红移和遥远的过去的温度与一个膨胀的，冷却的宇宙充满了物质和能量的不同类型。氢、氦、锂及其各种同位素的丰度与早期、炙热、致密的状态的预测相符，而大爆炸剩余光的黑体光谱正好符合我们的观测结果。
宇宙微波背景辐射和它的波动模式给我们提供了一种测量宇宙曲率的方法。在测量的最好的情况下，在大约400的范围内宇宙是完全空间平坦的。图片版权：Smoot Cosmology Group / Lawrence Berkeley Labs
但有很多事件被观察到，但大爆炸并没有解释。事实上宇宙在几乎所有方向上都是相同的温度，这是一个没有理论依据的观测事实。宇宙在所有方向上似乎是空间平坦的(而不是积极或消极的弯曲)，这是另一个没有解释的真实事实。如果宇宙从一个任意炙热的稠密状态开始，没有剩余的高能遗迹，比如磁单极是我们无法想象的。
宇宙微波背景的起伏是如此之小，如此特别。强烈地指出宇宙开始时的温度是相同的，这是大爆炸没有解释的事实。图片版权：ESA and the Planck Collaboration
换句话说这意味着尽管大爆炸成功了，但它并不能完全的解释宇宙的起源。或者我们可以看看这些无法解释的现象和猜想，也许宇宙就是这样诞生的或者可以寻找一个符合我们对科学理论要求的解释。这正是艾伦·古斯在1979年所做的，当时他第一次偶然发现了宇宙膨胀的概念。
1979年艾伦·古斯(Alan Guth)发现，宇宙历史上的指数膨胀时期可以建立并为大爆炸提供初始条件。图片版权：Alan Guth’s 1979 notebook, tweeted via @SLAClab
宇宙膨胀的一个重要概念是：充满物质和辐射的宇宙，已经膨胀和冷却了数十亿年，从一个非常不同的状态出现在我们所知的可观测的宇宙之前。太空中充满了真空能量，而不是充满了物质和辐射，这使得它不仅迅速膨胀，而且呈指数级增长，这意味着随着宇宙膨胀的持续，膨胀率不会随着时间的推移而下降。只有当宇宙膨胀结束时这种真空能量才会转化为物质、反物质和辐射，以及热的大爆炸的结果。
这个插图显示了通货膨胀持续到未来(蓝色)的区域以及它的终点，产生了一个大爆炸和一个像我们(红色X)这样的宇宙。注意这可能会无限地回到过去，但我们永远不会知道。图片：E. Siegel / Beyond The Galaxy
人们普遍认识到如果宇宙膨胀是真的，那就能解决这三个难题，即大爆炸只能假定初始条件：视界(温度)、平整度(曲率)和单极子(缺乏遗迹)问题。在20世纪80年代早期，很多研究工作都进入了第一个标准：重现大爆炸。关键是要到达一个各向同性的、均匀的宇宙，条件与我们观察到的相符。
最简单的两类膨胀，有混乱的膨胀(L)和新的膨胀(R)。图片：E. Siegel / Google Graph
几年后有了两个通用的模型，它们成功了：
1、“新的宇宙膨胀”模型，即真空能量从波峰开始，向下峰谷时宇宙膨胀结束
3、“混乱的宇宙膨胀”模型，真空能量从一种类似抛物面的两端开始高，到达峰谷以结束通货膨胀
这两类模型都再现了大爆炸的成功，但也为可观测宇宙做出了许多类似的、相当通用的预测。
宇宙的最初阶段，在大爆炸之前是我们今天所看到的一切都从最初的状态开始的。图片：E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research
1、宇宙应该几乎完全平坦
平面度问题是最初的条之一，但当时的束缚非常薄弱。宇宙的100%是物质，而曲率是0%，5%可能是物质，95%可能是曲率或者介于两者之间。一般来说宇宙膨胀预测100%需要“物质加上其他任何东西”，但曲率应该在0.01%到0.0001%之间。这种预测已经被ΛCDM模型验证，其中5%是物质，27%是暗物质和暗能量是68%，曲率被限制在0.25%或更少。随着观察的不断改善，也许有一天能够测量通货膨胀所预测的非零曲率。
2、应该有一个几乎不变的波谱
如果量子物理学是正确的，那么宇宙在膨胀的过程中也应该经历量子涨落。这些波动应该在整个宇宙中呈几何级数展开。当膨胀结束时这些波动就会变成物质和辐射，导致密度过大和密度低的区域，这些区域会变成恒星和星系，或者是巨大的宇宙空间。由于宇宙膨胀在最后阶段的收缩，波动应该在小尺度或大尺度上稍微大一点，这取决于膨胀的模型，这意味着应该有一个偏离完美尺度不变性的微小偏离。如果尺度不变性是精确的，我们称之为n_s的参数将等于1；n_s被观察到为0.96，直到2000年WMAP才被测量。
3、宇宙大爆炸之后，应该会有比光快的波动
这是宇宙膨胀的另一个结果，但没有办法在大尺度上得到一个连贯的波动，而没有在宇宙尺度之外的东西。在宇宙微波背景和宇宙大尺度结构中看到这些起伏的事实，直到20世纪90年代和21世纪的COBE和WMAP卫星才知道这些波动，进一步验证了宇宙膨胀。
4、量子涨落转化成密度波动，应该是炙热的
波动可以有不同的类型：炙热的，异位的，或者两者的混合。宇宙膨胀预测这些波动应该是100%炙热的，这将在宇宙微波背景和宇宙的大规模结构中留下独特的特征，观测结果证实了。事实上波动是炙热的，到处都是熵。
5、在遥远的过去宇宙的温度应该有一个上限
这也是在宇宙微波背景下出现的一个信号：宇宙在最热的时候达到了多高的温度？如果没有膨胀，宇宙应该在早期达到任意高温接近奇点。但随着通货膨胀，最高温度必须低于普朗克尺度(~ 1019 GeV)。从观察所看到的是宇宙在任何时候都达到了大约0.1%(~ 1016 GeV)的温度，从而进一步证实了一组膨胀。对于单极问题是一个更好的解决方案，比古斯最初预想的要好。
6、最后应该有一组原始引力波，有一个特定的光谱
就像我们有一个几乎完全不变性的密度波动谱一样，膨胀预测广义相对论的张量波动，也就是引力波。这些波动幅度的大小取决于宇宙膨胀，但频谱有一组独特的预测，这第六次预测是唯一一个没有以任何方式得到证实的预测。
引力波在宇宙微波背景下从膨胀到b型偏振的作用有一个已知的形状，但它的振幅取决于具体的通货膨胀模型。这些从引力波中产生的b模式尚未被观测到。图片：Planck science team
所有这些都是为了再现非膨胀的大爆炸的成功，解释大爆炸所不能的观察结果，以及做出新的预测，而且在很大的数字上已经被证实，宇宙膨胀无疑是成功的科学。它这样做的方式是其他理论只会产生不可观测的预测，比如弦理论。当批评人士谈论宇宙膨胀并提到大量的模型建设时，这是一个问题：膨胀是一种寻找单一、独特、权威的模型的理论。的确可以像想要的那样设计复杂的模型，而且几乎不可能排除它们。
由宇宙膨胀预测的各种通货膨胀模型和标量和张量波动。观察性约束使各种宇宙膨胀模型仍然有效。图片版权：Kamionkowski and Kovetz, ARAA, 2016, via https://lanl.arxiv.org/abs/1510.06042
但这并不是膨胀宇宙理论固有的缺陷，这是一个我们还不太了解暴胀机制的原因，以辨别哪些模型具有我们的宇宙所需要的特征。这表明暴胀模型本身对其预测能力有一定的限制，进一步推进将是必要的。但仅仅因为宇宙膨胀不是所有事情的最终答案，并不意味着它不是科学。更确切地说这与科学一直以来所展示的是一致的：人类最好的理解宇宙的工具，一次又一次渐进的改进！
参考：NASA，ESA，E. Siegel等
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
