二、造反暴涨理论先锋也是该理论提出者之一 1、斯泰恩哈特反水引起的学术争议 2017年“公众号”网有报道说:美国宇宙学家、普林斯顿大学教授保罗•斯泰恩哈特,也是暴涨理论的创始人之一──他和艾伦•古斯、安德烈•林德林德一起,以“宇宙暴涨模型”分享了理论和数学物理领域的最高荣誉──2002年的狄拉克奖。但在最近几年,斯泰恩哈特已经彻底反水,成为批判暴涨理论的急先锋。 暴胀理论最先由宇宙学家艾伦•古斯提出,安德烈·林德、保罗·斯泰恩哈特等人对其进行了完善,成为最受欢迎的宇宙学理论。但现在有三位科学家在《科学美国人》杂志上对暴胀理论提出挑战,激怒了33位科学家,其中包括4名诺贝尔奖得主,联合签署公开信对其进行驳斥。为什么这篇文章会让史蒂芬·霍金、伦纳德·苏斯金德、丽莎·兰德尔、阿兰·古斯、安德烈·林德等著名科学家驳斥呢? 三位科学家挑战暴胀理论的科学家,是以保罗•斯泰恩哈特为首,他和普林斯顿大学物理学家安娜·伊贾斯、哈佛大学天文学家亚伯拉罕·勒布一起,在《科学美国人》杂志上发表了题为《宇宙暴涨理论面临挑战》的文章。他们根据对宇宙微波背景的研究,认为暴涨理论不符合观测事实。因为其预言的原初引力波,从来就没有被发现过。 他们认为所谓的大爆炸,实际上是一个“大反弹”──从前一个宇宙阶段,转向目前的扩张阶段,不需要随后的暴涨时期来塑造我们现在的宇宙。学术争议很正常,问题是他们的文章后面说:实验可以用证伪暴涨理论──暴涨理论是一个失败理论,它总是试图通过越来越多的补丁来免疫实验的。他们的结论是,“我们目前所理解的暴涨宇宙学,不能用科学的方法进行评估”。 斯泰恩哈特等认为,我们目前普遍推崇的宇宙主导理论,是不可测试的,因而不是真正的科学。古斯不同意,林德不同意,霍金不同意──33位科学家的公开信说:暴涨理论不仅仅是一种理论,而是建立在许多模式基础上的,没有人认为所有这些模式都是正确的。过去37年中,一些模型已经做出了正确的可测试的预测,包括宇宙的平均质量密度及宇宙的平坦形状等;一些模型被证实是错误的,已经予以抛弃。在更多数学理论和天文观察的帮助下,这些模型随着时间变得越来越准确。这意味着它们是适当的科学,可以根据我们在未来几年发现的证据来证明或证伪。虽然暴涨模型已成为解释宇宙的主流理论,它仍然可以被证伪,但你得拿出坚实的证据来。 双方都对自己的观点不放弃。不过大家都同意一个事实,暴涨理论并不完美,当有新的数据出现时,我们应当保持开放的心态,看看宇宙诞生时究竟发生了些什么。 2、暴胀起伏模型再学 暴涨是关于极早期宇宙的一组模型的通称,这些模型包括一个短暂的(指数的)快速膨胀,在远远不到一秒钟的时间内,将现在已成为可观测宇宙的东西,从一个比质子还小很多的体积,炸开到大约柚子那么大。这个过程应该能够抹平时空而使宇宙平坦(见平坦性问题),也应该能解决视界问题。 暴涨在1980年代被承认为极早期宇宙的标准模型。它取得这样的成功,不仅仅因为它解决了有关宇宙本质的许多难题,而且由于它解决这些难题时应用了大统一理论(GUT)和与宇宙学研究毫无关系的粒子物理学家发展出来的量子理论知识。 发展这些关于粒子世界的理论时,并未想到它们可能应用于宇宙学(它们决不是为了处理后来竟然解决了的所有问题而‘设计’的)。这些理论在宇宙学领域的成功,说明它们确实得到了对于宇宙的真正重要的了解。粒子物理学(研究最细微之物)和宇宙学(研究最庞大之物)的联姻,看来已经解释了宇宙如何起源和如何演变成当前的样子。 因此,暴涨可视为自最早暗示宇宙起源于大爆炸的宇宙膨胀被发现以来,宇宙学思想的最重大进展。观测到的宇宙膨胀暗示,它是150-200亿年前从一个密度无穷大的奇点起源的。 A、暴胀起伏模型难题 量子物理学认为这种极端的说法没有意义,应该改为膨胀起始于直径不超过普朗克长度的一个区域,因而第一个难题是,如此致密的东西怎么能够膨胀──它应该拥有极其强大的引力场,在它刚刚诞生后就会把它变成黑洞并(重新转为奇点)归于消失。 当宇宙如普朗克长度那么大时,如果给它一个猛烈的向外推动(其作用犹如反引力),所有这些问题都能得到解决。如此小的一个空间区域真是太小,开始时不可能包含不规则结构,所以最初它是均匀和各向同性的。以光速传播的信号有非常充裕的时间在难以置信的微小体积内互相交叉,所以不存在视界问题──胚胎宇宙的两边彼此‘知晓’对方。而时空本身因膨胀而变得平坦。与标准大爆炸模型一样,仍然可以把宇宙类比于膨胀气球的外膜,但现在必须把它看成在其存在的最初瞬间大大暴涨了的实在的巨大气球。 B、再识广义相对论 奇妙的是,时空的这种指数膨胀,可用威廉·德西特在1917年根据广义相对论提出的首批宇宙模型之一加以准确描述。德西特的这个模型,仅仅被当成与现实宇宙无关的数学珍品达半个多世纪;现在却成了暴涨宇宙学的基石之一。 暴涨的特质之一是,它似乎进行得比光速更快。这种情形之所以可能,是因为膨胀的是时空本身,物质只是被它带动而已;不论在暴涨期间或是自暴涨发生以来,没有任何东西通过时空的运动可以比光更快。正是由于膨胀是如此快速,物质才没有来得及在膨胀进行期间运动,这个过程在变成我们今日宇宙的原始量子泡最初的均匀性中‘凝固’了。暴涨剧本在其不长的历史中已经历了好几个发展阶段。 第一个暴涨模型,是莫斯科朗道理论物理研究所的阿列克谢·斯塔罗宾斯基,在1970年代末提出的;不过当时不叫‘暴涨’。这是一个基于量子引力理论的极其复杂的模型,后来称之为“斯塔罗宾斯基宇宙模型”。这在当时的苏联宇宙学家中引起了轰动,可是苏联科学家那时仍然很难出国旅行,或与苏联势力范围以外的同行通讯,有关消息未能传播到苏联以外。 1981年当时在麻省理工学院的艾伦•古斯,在对斯塔罗宾斯基的工作毫不知情的情况下,发表了一个不同的暴涨理论版本(《物理学评论》,32卷,347页,1981年1月)。这个版本影响更大,原因有二,其一是比较明白易懂;其二是身在美国的古斯,能够和全世界的同行自由探讨他的观点。而古斯给他描述的过程,所起的名称“暴涨”极富感染力,也给他带来了意外的好运。 虽然古斯的原始模型在一些细节上有明显缺陷(他当时也承认这点),但正是这一版本的观点,使所有宇宙学家明白了暴涨的威力。1981年10月在莫斯科召开的一次以暴涨为主题的国际会议,霍金提交了一篇论文,声称暴涨根本不能成立;安得列·林德则公布了一份叫做“新暴涨”的改进版本,避开了古斯模型遇到的困难。 有趣的是,林德是霍金谈话时的正式翻译,承担了给听众传达与他自己对立的观点这一令人为难的任务。但在正式发言之后,霍金终于相信林德是对的,暴涨也可能成立。几个月后,宾夕法尼亚大学的安德里亚斯·亚布勒希特和保罗·斯坦哈特 发表了他们的新暴涨理论;到1982年底,暴涨已经稳固地确立了它的地位。
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