宇宙大爆炸有沒有發生過？天文學界爆發激烈爭論

特邀翻譯 蔡一夫、李春龍（中國科學技術大學）

特邀評論 陳學雷（中國科學院國家天文台）

李淼（中山大學）

張新民（中科院高能所）

黃慶國（中科院理論所）

王一（香港科技大學）

責任編輯 金庄維（北京大學）

2017 年 2 月刊登在《科學美國人》雜誌上的一篇關於暴脹學說的評論文章最近引發了一場「地震」：33 名全球頂尖物理學家發表聯合署名公開信，質疑文章中的一些觀點。原文作者隨後做出了答覆。近日，「科研圈」聯繫到國內宇宙學方向的幾位學者， 邀請他們談談對這場爭論的看法。

宇宙時空的起源是科學中最神秘、也最具爭議的問題之一。《科學美國人》在 2017 年 2 月刊登的文章「Pop Goes the Universe」（「宇宙大爆炸不曾發生？」《環球科學》2017 年 3 月刊）反駁了目前的主流學術觀點——宇宙在極早期經歷了一段被稱為暴脹的極速膨脹時期。該文作者倡導了另一種觀點——我們的宇宙並非創生於暴脹學說中的大爆炸奇點，而是從一場「火劫」中開啟的。根據這一觀點，宇宙在大爆炸之前經歷了一段收縮過程，收縮到一定程度時發生反彈，從而形成我們今天看到的宇宙。在下面的信件中，33 名暴脹宇宙學家組成的科學團隊署名回應了這篇文章。

聯合署名公開信

在由 Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt 和 Abraham Loeb（下面簡稱「IS&L」）撰寫的文章「Pop Goes the Universe」中，作者力推火劫反彈學說（該學說由 Steihardt 等人於 2001 年提出）。在文章的最後一部分，IS&L 表示「暴脹宇宙學不能用科學方法來評估」。接著，他們聲稱一些接受暴脹學說的科學家提議「拋棄科學的標誌性特點：可檢驗性，而這個主張「促使某些非實（經）驗主義科學的理論抬頭」。我們並不知道這些科學家指的是誰，也無法同意這篇文章中的一些論述。在這篇信件中，我們主要關注「零容忍」論點——暴脹學說的不可檢驗性。

毫無疑問，暴脹學說已經成為當今宇宙學的主流觀點。全世界的大批科學家多年來都致力於探索研究各種暴脹模型，並將這些模型的預言與實驗觀測進行比較。通過查詢高能物理資料庫 INSPIRE，大家就能發現「暴脹」是個高頻辭彙：迄令為止，標題或摘要中包含「暴脹」的論文超過 14000 篇，這些論文出自 9000 多名科學家之手。IS&L 的論述（暴脹宇宙學不能用科學方法來評估）忽略了這些研究。除此以外，若干大型國際合作實驗項目的結果清楚地表明，暴脹不僅可以被檢驗，而且在經受大量檢驗後依然存活了下來。

準確地說，暴脹並不是一個獨一無二的理論，而是基於相似原則的一類模型。當然，這些模型不可能全都正確，所以真正值得關心的問題是：是否存在至少一個這樣的暴脹模型，它既能正確地描述宇宙的可觀測特徵，又能從基本粒子物理假定中自然地推理出來？這種情況與粒子物理標準模型的早期發展十分相似，當時科學家研究了各種各樣的量子場論模型，只為尋找其中符合所有實驗觀測的那一個。

雖然原則上科學家需要檢驗大量的暴脹模型，但有一類簡單的暴脹模型（術語為「單場慢滾」模型）可以給出與大多數觀測十分接近的預言，這些預言早在幾十年前就已被清楚地提出。這類「標準」的暴脹模型具有很好定義且得到了廣泛研究。（IS&L 對「什麼是這類模型中最簡單的模型」表達了強硬的觀點，但簡單性是主觀的，我們覺得沒有理由將關注點限制在這麼狹窄的子類模型中。）雖然其中一些已經被精確的實驗數據排除了（這正是大家想要看到的——通過觀測來減少可行模型的數量），但仍有許多模型在實驗檢驗方面十分成功。

標準暴脹模型預言了宇宙應當有一個臨界質量密度（那意味著宇宙應當是幾何上平坦的），以及我們探測到的宇宙微波背景（CMB）中微弱的溫度「漣漪」的統計特徵。首先，這些漣漪應當幾乎是「標度不變的」，這意味著在所有角度標度（譯者註：應當為空間標度）中，它們應當具有幾乎相同的強度。其次，漣漪應當是「絕熱的」，這意味著普通物質、輻射、暗物質全都一起漲落。第三，它們還應當是「高斯性」的，這是一種對相對較亮與較暗區域構成圖像的統計描述。最後，模型預言了 CMB 特定的極化模式，這可以分為兩類——E 模與 B 模。所有標準暴脹模型對 E 模的預言都十分相近，而對於衡量早期宇宙引力輻射的 B 模，不同種類的標準暴脹模型間差別很大。

令人矚目的是，從 1992 年宇宙背景探測器（COBE）衛星的結果開始，大量的實驗都證實以上預言（還有其它一些預言，但太過技術性不適宜在這討論）精確描述了我們的宇宙。宇宙平均質量密度的測量現已精確到百分之 0.5 左右的精度，並且與暴脹的預言符合得十分完美。在暴脹剛提出時，平均質量的不確定性至少是目前的三倍，所以這是一個讓人印象深刻的成功。另外兩顆衛星，威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）與普朗克衛星進一步精確測量了 CMB 的溫度漣漪，還有許多基於地面與氣球的實驗也進行了相關測量，它們均證實了原初漲落的確幾乎是標度不變的，並且具有十分精確的絕熱性與高斯性，正如標準暴脹模型事先所預言的那樣。B 模極化還沒有被觀測到，這與許多，但不是所有模型的預言一致；而已經探測到的 E 模極化與預言相符。2016 年，普朗克衛星團隊（一個由 260 人組成的實驗組織）總結道：」普朗克衛星的觀測結果為簡單暴脹模型提供了強有力的證據。」所以如果像 IS&L 想讓我們相信的那樣，暴脹是不可檢驗的，那為什麼會有這麼多實驗對暴脹進行檢驗，還獲得了這麼巨大的成功？

暴脹模型的成功是毫無疑問的，但 IS&L 還是聲稱暴脹是不可檢驗的。（我們對 IS&L 的主張表示無法理解，他們認為暴脹在觀測上的成功被誇大了，並且指責暴脹的擁護者拋棄了經驗科學！）例如，他們爭論說，由於暴脹的預言會隨著暴脹能量密度曲線的形狀與初始條件的改變而改變，暴脹實際上是不可檢驗的。但是，一個理論的可檢驗性絕不是要求它的所有預言都獨立於參數的選擇。如果非要這樣要求，那麼粒子物理標準模型的生存狀態同樣值得擔憂，它包含著需要實驗決定的粒子組份，以及 19 個或更多參數。

重要的一點在於，標準暴脹模型通過了上述的實驗檢驗。IS&L 描述了一個失敗的理論如何「由於人們試圖不斷修補它而變得對實驗越來越有免疫力」，並暗示暴脹便是如此。但是無論如何，隨著新數據的出現而修改理論是經驗科學中的標準步驟。例如，為了解釋新發現的夸克與輕子，標準模型不得不進行修改。而對於暴脹宇宙學，（我們認為）目前還沒有必要進行超出標準暴脹模型的研究。

IS&L 主張「暴脹不可檢驗」的另一個理由是，它會導致永恆暴脹和多重宇宙。多重宇宙是一個活躍的研究領域，但這絕不與暴脹的實驗可檢驗性相悖。如果多重宇宙圖像是合理的，那麼粒子物理標準模型能夠很好地描述我們的可觀測宇宙，目前正由實驗觀測進行限制優化的暴脹模型可以描述暴脹在我們這片宇宙區域是如何發生的。這兩種理論都仍將安全地處在經驗科學的範圍內。科學家依然可以將來自天體物理、粒子物理實驗的最新數據與具體物理模型做出的精確、定量的預言進行比較。需要注意的是，這不同於更為「崇高」的目標：發展一個理論框架，不藉助實驗數據便能推斷出正確描繪可觀測宇宙的具體模型。

和任何科學理論一樣，暴脹不需要解決所有可能想得到的問題。暴脹模型也像所有科學理論一樣，建立在一組假定之上，並且為了理解這些假定，我們可能需要一些更深層次的理論。然而這並不會抹殺暴脹模型的成功。這一情景與標準的熱大爆炸宇宙學相似。熱大爆炸宇宙學無法解釋宇宙的平均密度為何與臨界密度如此接近，宇宙結構的起源（這在暴脹中得到優雅的解決）等問題。但這些問題的存在並不會「抵消」它曾做出的許多成功的預言，比如輕元素的相對含量。我們對宇宙的了解尚不完備，但這絕不應當成為忽視標準暴脹模型在實驗上已獲得巨大成功的理由。

在暴脹模型誕生後的 35 余年中，它已經逐漸成為描述宇宙演化早期階段與大尺度結構形成的主流觀點。沒有人聲稱暴脹是正確無誤的，科學理論並不會像數學定律那樣得到嚴格證明。但隨著時間流逝，更加精確的實驗檢驗和理論上的進步將會使成功的理論變得越來越好。這正是暴脹理論正在經歷的過程。這一過程會繼續下去，許多選擇這個充滿活力的領域的科學家都會積极參与進來。

經驗科學不但活著，還活得很好！

聯合署名

Alan H. Guth (MIT)

David I. Kaiser (MIT)

Andrei D. Linde (Stanford)

Yasunori Nomura (UC Berkeley)

Charles L. Bennett (Johns Hopkins)

J. Richard Bond (U of Torento)

Fran?ois Bouchet (Institut d』Astrophysique de Paris)

Sean Carroll (Caltech)

George Efstathiou (Cambridge)

Stephen Hawking (Cambridge)

Renata Kallosh (Stanford)

Eiichiro Komatsu (Max-Planck-Institute für Astrophysik)

Lawrence Krauss (Arizona State)

David H. Lyth (Lancaster)

Juan Maldacena (IAS)

John C. Mather (NASA)

Hiranya Peiris (UCL)

Malcolm Perry (Cambridge)

Lisa Randall (Harvard)

Martin Rees (Cambridge)

Misao Sasaki (YITP)

Leonardo Senatore (Stanford)

Eva Silverstein (Stanford)

George F. Smoot III (Berkeley Center for Cosmological Physics)

Alexei Starobinsky (Landau Institute for Theoretical Physics)

Leonard Susskind (Stanford)

Michael S. Turner (Chicago)

Alexander Vilenkin (Tufts University)

Steven Weinberg (UT Austin)

Rainer Weiss (MIT)

Frank Wilczek (MIT)

Edward Witten (IAS)

Matias Zaldarriaga (IAS)

作者（IS&L回復）

我們對反駁我們的科學家表示十分的尊重，但對他們的回應感到失望。他們忽略了非常關鍵的一點：經受住實驗檢驗的暴脹理論與我們現在要更進一步理解的暴脹理論之間的不同。過去，我們還沒有理解暴脹所存在的基本問題，所以斷言暴脹已經被證實。我們堅信在健康的科學界中，大家可以做到和而不同，尊重不同的觀點。因此我們拒絕「被認為」指出暴脹存在的問題，就意味著拋棄了所有發展暴脹學說、推動宇宙精確測量的前輩的工作。

歷史上，對暴脹的思考基於一系列不同的觀點。大家並不理解暴脹的預言為何會對初始條件高度敏感，也不理解暴脹為何會導致永恆暴脹，進而帶來多重宇宙 —— 理論的輸出結果有無窮多。那些聲稱暴脹預言了這預言了那的文章忽視了這些問題。

我們的觀點是應當不加掩飾地討論當前的暴脹理論版本，而不是過時的版本。邏輯上，如果暴脹的輸出結果高度依賴於目前還沒有得到很好理解的初始條件，正如回應者承認的那樣，那麼該結果無法被確定下來。此外，如果暴脹產生了多重宇宙，援引回應者之一（古斯）的話說：「任何可以發生的事都會發生」——這會使得任何對預言的討論都失去意義。與粒子物理標準模型不同，就算固定了所有參數，暴脹模型仍會給出無窮多種結果，而且沒有哪一種結果比另一種更特別。這使得暴脹免疫於任何實驗檢驗。更多細節可以參考我們 2014 年的文章《暴脹分裂》

（預印本鏈接https://arxiv.org/abs/1402.6980）。

我們是三名獨立的思考者，分別代表了不同年齡段的科學家。我們的文章不是刻意掀起過去的爭論，而是討論最近的實驗觀測帶來的影響以及指出尚未解決的問題，這給年輕一代宇宙學家做出有深遠影響的工作提供了機會。我們希望讀者可以回顧我們文章的最後一部分，我們反對盲從權威，呼籲以開放的姿態認清當前觀念存在的缺陷，為解決這些問題投入新的努力，並且對於新觀點進行開放式探索。這才是我們所堅持的原則。

國內學者怎麼看

這個問題值得深思。上世紀九十年代，當時的觀測一度趨向於支持開曲率宇宙（當時人們還沒想到有暗能量）。一些暴脹理論的支持者於是構造了開暴脹模型，儘管通常暴脹模型都預言平坦宇宙。當然後來的觀測證明了平坦宇宙，不過這個例子告訴我們，現實中的科學理論並不是那麼簡單地可以證實或證偽。現在，對暴脹理論的引力波檢驗，我認為也有這樣一個問題，實際上即使引力波很小，也有滿足這一情況的暴脹模型。Steinhardt 教授多年來批評暴脹理論的可證偽性，我覺得他的批評有一定道理，但我懷疑他的循環宇宙模型如果能引起人們足夠的興趣的話，很可能也是會有足夠多的變形而難於完全證偽的。

——陳學雷（中國科學院國家天文台，宇宙暗物質暗能量組首席研究員）

此次國際爭論中關於極早期宇宙（包括暴脹、反彈，以及 Steinhardt 提倡的火劫學說）的一個很重要的可驗證性體現在宇宙微波背景輻射的偏振信號上面。由中國宇宙學家主導並已經立項的阿里原初引力波望遠鏡項目已經上馬。它最關鍵的科學目標就是去尋找原初引力波，並精確測量 CMB 中的 E 模和 B 模的偏振信號。這一實驗在不久的將來會對回答 Steinhardt 為代表的、反對暴脹的宇宙學家和以 Guth 為代表的、支持暴脹的宇宙學家所爭論的核心問題帶來很大的幫助。

——張新民（中國科學院高能物理所，中國阿里原初引力波探測計劃首席科學家）

儘管暴漲宇宙論目前還沒有得到宇宙學觀測的充分支持，但很多觀測證據，包括微波背景輻射的功率譜，說明這是一個很可能正確的理論。反對暴漲論的作者之一其實對暴漲論有過原始貢獻，現在他強烈反對暴漲論不過是為了推銷他的新理論。

——李淼（中山大學天文與空間科學研究院院長）

毋庸置疑暴脹宇宙學取得了巨大的成功，它所自然預言的宇宙空間平坦性和近標度不變的原初密度漲落都得到了精確宇宙學觀測的強烈支持。不可否認，現有的暴脹宇宙學理論依然並非完美，仍然需要更深入的探究。但是，正如熱大爆炸宇宙學模型儘管存在空間平坦性、視界等疑難，由於諸多的宇宙學觀測給予大量的支持，因此熱大爆炸模型仍然被廣泛接受為標準的宇宙學模型。反過來看，這些暴脹的替代模型為了能提供和暴脹同樣多的對已有觀測現象的解釋，往往需要更為精巧得多的人為構造。它們帶來的問題甚至比解決的問題還要多。極早期宇宙的物理過程發生在宇宙最初極為短暫的時期，因此人們並不能回到那個時期去直接「觀測」宇宙的演化，而是只能通過間接的方法去重構產生於那個時期的量子擾動的關聯函數。令人遺憾的是僅僅通過關聯函數原則上並不能區分那個時期宇宙是在暴脹還是收縮，因此目前並沒有任何觀測可以提供確鑿無疑的方法來區分早期宇宙暴脹和其他替代模型。無論如何，從自然性和簡單性原則來看，與那些替代模型相比，暴脹宇宙學不失為最簡單和自然的極早期宇宙學模型。

——黃慶國（中國科學院理論物理研究所）

暴脹宇宙學在觀測上取得的成功是毋庸置疑的（預言了接近標度不變的原初密度漲落，這個預言在 1992 年被實驗驗證）。可是，各種替代模型仍具有生存空間，說明我們對早期宇宙的了解還不夠。物理學是以觀察和實驗為基礎的科學。理論的探討是重要的，但是要最終解決暴脹與替代模型的爭論問題，還是要靠未來的實驗檢驗。特別地，對宇宙密度漲落三點關聯函數的精確測量（量子原初標準時鐘），是對早期宇宙的膨脹（或收縮）歷史的直接測量。這樣的實驗檢驗將有望區分暴脹與替代模型，為我們還原早期宇宙的真相。

「任何可能發生的都會發生」並不等於不可檢驗。統計力學，量子力學，一定意義上都是「任何可能發生的都會發生」。但是這不妨礙這兩個理論通過無數實驗的檢驗，成為現代物理的基石。雖然宇宙學裡混雜了「典型觀測者」問題帶來的額外麻煩，但是我仍認為，我們今天不應該因為懼怕世界的概率本質而攻擊一個理論。

——王一（香港科技大學）

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