反彈宇宙學(xué)圖像

　　COBE、WMAP、Planck三代衛(wèi)星拍攝的宇宙微波背景輻射各向異性溫度漲落

　　宇宙源自138億年前的一次爆炸，而后立即經(jīng)歷了一場極度快速的膨脹——暴脹過程，隨后逐漸膨脹至今。這一直是用來解釋宇宙形成的主流科學(xué)理論。

　　然而今年上半年，《科學(xué)美國人》雜志搞了點事情。來自普林斯頓大學(xué)和哈佛大學(xué)的科學(xué)家撰文表示，宇宙源自一次大反彈而非大爆炸，暴脹理論無法令人滿意。此舉無疑在學(xué)界扔下了一枚重型炸彈。包括4位諾貝爾獎得主在內(nèi)的33位科學(xué)家立即聯(lián)合簽署了一封公開信，對其進行駁斥。

　　宇宙到底源自大反彈還是大爆炸？這場爭論的雙方都是知名科學(xué)家。對于看熱鬧的公眾來說，選擇“站隊”之前，不妨先了解兩種宇宙形成理論都討論了什么。

　　窺視嬰兒期的宇宙 

　　宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，為熱大爆炸宇宙學(xué)提供了關(guān)鍵的證據(jù)。而在微波背景輻射譜上極為微小的起伏，讓人們有機會了解宇宙嬰兒時期的樣貌。

　　在現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展歷程中，宇宙微波背景輻射（CMB）的故事絕對是場重頭戲。早在20世紀40年代，天文學(xué)家伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙學(xué)說。該學(xué)說預(yù)言：宇宙存在一個背景溫度，它便是由CMB——來自宇宙嬰兒期的光線帶來的。

　　到了20世紀60年代，美國貝爾實驗室的兩位工程師利用無線電波天線探測到了這個穩(wěn)定而又均勻的微波背景信號。這一發(fā)現(xiàn)在天文學(xué)史上留下了濃重的一筆，因為它為熱大爆炸宇宙學(xué)說提供了最關(guān)鍵的證據(jù)。不過當時，人們認為CMB在各個位置、各個方向上都是完全相同的，嬰兒期的宇宙均勻得毫無特征。

　　第一次真正揭開CMB神秘面紗的，當數(shù)美國宇航局于1989年發(fā)射的宇宙背景探測者（COBE）衛(wèi)星。這枚衛(wèi)星不僅精確測量了CMB黑體輻射譜從而驗證了熱大爆炸學(xué)說，而且在背景溫度為2.73開氏度的黑體譜上發(fā)現(xiàn)了漲落幅度大約為10-5開氏度的溫度漲落，進一步擴展了人類認知宇宙的視野。

　　如果說原初核合成與2.73開氏度的CMB黑體譜一并證實了宇宙在童年時期的成長歷程，那么CMB譜上這些微小的各向異性溫度漲落則為認知宇宙在原初嬰兒時代的樣貌提供了一扇窗口。

　　在之后的二十多年間，美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）衛(wèi)星和歐洲空間局的普朗克（Planck）衛(wèi)星相繼發(fā)射升空。它們不僅使得CMB天圖的分辨率有了巨大提高，還讓人類能夠接近大爆炸奇點這個物理理論的“禁區(qū)”。

　　在順利通過諸多高精度天文實驗的檢驗后，熱大爆炸學(xué)說晉級為現(xiàn)代宇宙學(xué)的標準理論模型。它描述的基本圖像為：大約138億年前，我們的宇宙創(chuàng)生于一個時空奇點的大爆炸。在漫長歲月的洗禮下，它從極高溫的混沌狀態(tài)開始演變，逐漸形成基本粒子、核子，然后經(jīng)過原初核合成產(chǎn)生氫和氦的原子核。之后約38萬年，宇宙中形成穩(wěn)定的中性氫原子與早期CMB。接著在原初密度漲落的影響下，又逐漸形成由宏觀物質(zhì)構(gòu)建起來的大尺度結(jié)構(gòu)雛形。到了宇宙4億歲時，第一代恒星終于形成，而最早的星系和類星體則誕生于大爆炸后約十億年。從那以后，由星系和星系團等構(gòu)成的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)開始形成。最終，我們的宇宙演化到當前由暗能量驅(qū)動的加速膨脹狀態(tài)。

　　宇宙需要一個奇點嗎 

　　在包含暴脹過程的熱大爆炸宇宙學(xué)中，密度極大、溫度極高的奇點不可避免。而反彈宇宙圖像中，宇宙先是收縮，然后反彈進入熱大爆炸膨脹階段，避免了讓科學(xué)家頭皮發(fā)麻的奇點問題。

　　宇宙的故事并非看起來這么簡潔明了，當反演宇宙演化到剛剛呱呱墜地的嬰兒時期，熱大爆炸學(xué)說本身就面臨著初始條件選取的困難。比如說，是什么導(dǎo)致了今天的宇宙在大尺度上均勻各向同性，而又具有各種星系、星系團等結(jié)構(gòu)？故事的開端——大爆炸奇點真的存在嗎？那一刻宇宙發(fā)生了什么？人類在與熱大爆炸學(xué)說如此匹配的CMB黑體譜上發(fā)現(xiàn)了微小的各向異性溫度漲落，又意味著什么？

　　暴脹學(xué)說，是一款為描述宇宙在原初時期動力學(xué)而量身打造的宇宙學(xué)圖像。它認為，在大爆炸后約10-36秒到10-32秒短暫的時間內(nèi)，宇宙的單位空間尺度被放大約1080倍。這相當于瞬間把亞原子尺度的空間擴張到了太陽系尺度，這樣可以抹平原初宇宙可能存在的不均勻性，于是很自然地解釋了我們今天看到的均勻宇宙。不過，本該存在于微觀世界的量子漲落也被拉扯到了宏觀尺度上，導(dǎo)致了CMB溫度漲落與原初密度擾動的產(chǎn)生，也為大尺度結(jié)構(gòu)的形成埋下了種子。

　　換句話說，從我們今天看到的CMB溫度漲落，到星系、恒星、地球，乃至我們自己，都是由嬰兒時期宇宙中的量子漲落演化而來。因此，在暴脹學(xué)說中當前宇宙的均勻性以及大尺度結(jié)構(gòu)的形成得到了十分自然的解釋，我們不再需要為熱大爆炸宇宙設(shè)定各種苛刻的初始條件。

　　然而，大爆炸奇點在暴脹學(xué)說中依然是不可避免的。這意味著，暴脹本身是不完整的理論：我們不知道暴脹如何開始，也不知道在暴脹之前發(fā)生了什么。在這個背景下，一系列替代理論應(yīng)運而生，其中最具代表性的就是反彈宇宙學(xué)。

　　實現(xiàn)反彈宇宙圖像的理論模型有很多，例如加拿大麥吉爾大學(xué)的羅伯特·布蘭登伯格教授與英國樸茨茅茨大學(xué)的大衛(wèi)·沃茲于1999年提出物質(zhì)反彈模型、中國科學(xué)院高能所張新民研究員及其團隊于2007年提出的精靈反彈模型等。在筆者和多位同事的多年努力之下，藏在這些模型背后的反彈宇宙學(xué)擾動理論逐漸成型，并揭示了反彈學(xué)說同樣可以解釋熱大爆炸宇宙學(xué)所面臨的初始條件疑難。在這類理論圖像中，大爆炸之前的宇宙處于一個收縮過程，體積越來越小，直到某一時刻宇宙收縮到一個極小值，然后反彈進入標準的熱大爆炸膨脹階段。由此可見，反彈學(xué)說的提出，不僅繼承了熱大爆炸宇宙學(xué)的成功之處，還避免了那個會讓宇宙學(xué)家頭皮發(fā)麻的時空奇點。因此，它進一步推動了熱大爆炸宇宙學(xué)的理論發(fā)展。

　　驗證起源學(xué)說，原初引力波說了算 

　　CMB中的原初B模偏振可以幫助構(gòu)建宇宙最初的模樣。但人類一直沒有找到它。科學(xué)家已在智利和南極展開或規(guī)劃CMB觀測，我國阿里原初引力波望遠鏡也將瞄準這一“宇宙級”問題。

　　宇宙在極早期所經(jīng)歷的究竟是哪一種過程呢？暴脹，反彈，抑或二者的結(jié)合？對于研究極早期宇宙的物理學(xué)家來說，一個至關(guān)重要的任務(wù)就是通過實驗觀測來進行檢驗區(qū)分。上述模型給出的理論預(yù)言，正好可以通過對CMB的高精度測量來加以檢驗。

　　由于宇宙早期光子與電子會發(fā)生湯姆森散射，CMB光子不僅攜帶著前文提到的黑體譜和溫度漲落的信息，還會有偏振狀態(tài)，它們形成兩種截然不同的圖樣：電場型E模式和磁場型B模式。

　　宇宙學(xué)家在研究CMB的偏振漲落時發(fā)現(xiàn)，原初宇宙中的張量擾動（即原初引力波）可以直接導(dǎo)致CMB擁有B模式的偏振信號。換言之，尋找原初引力波的B模偏振，能為極早期宇宙的研究提供線索。

　　這一發(fā)現(xiàn)正式打響了利用精確宇宙學(xué)實驗探索、檢驗原初宇宙圖景的發(fā)令槍。宇宙學(xué)家曾試圖利用WMAP、Planck等衛(wèi)星實驗將近15年的數(shù)據(jù)，來重構(gòu)出原初擾動、甚至原初宇宙的模樣。但遺憾的是，截至目前CMB中的原初B模偏振仍然沒有被直接觀測到。

　　近年來研究人員轉(zhuǎn)向性價比更高、維持運行更長期更穩(wěn)定的地面CMB觀測實驗。迄今已經(jīng)建造和規(guī)劃中的地面CMB偏振實驗，集中在智利和南極，而北半球是空缺的。

　　為了推進中國宇宙學(xué)在CMB領(lǐng)域的實驗研究，中國科學(xué)院高能所的宇宙學(xué)團隊牽頭，聯(lián)合國內(nèi)外多所頂級宇宙學(xué)研究單位，正在我國西藏阿里地區(qū)建造北半球首個CMB極化望遠鏡，即阿里原初引力波望遠鏡（AliCPT）。

　　該項目計劃2020年在阿里天文臺海拔5250米處建成阿里一號望遠鏡并開始觀測，在北天區(qū)率先實現(xiàn)對原初引力波的探測。與此同時，阿里計劃還會與南半球的CMB實驗合作，形成一南一北，對原初引力波觀測進行全天區(qū)覆蓋。