来源:环球科学ScientificAmerican
138亿年前,大爆炸拉开了宇宙演化的序幕。但这就是时间的开端吗?在大爆炸之前、在现在的宇宙终结之后,还有另一个宇宙存在吗?在一篇最近发表在预印本网站arxiv的论文中,著名理论物理学家罗杰·彭罗斯提出,宇宙微波背景辐射图像中的一类图案,是比大爆炸更为古老的黑洞的遗迹。如果得到证实,这将成为循环宇宙说的有力证据。
“原初引力波”乌龙
彭罗斯的最新研究,要从2014年的一起乌龙事件说起。
冰封的南极大陆人迹罕至,成为备受物理学家青睐的天文观测场所。南极干燥的空气、极高的空气透明度,使得从这里接收到的宇宙微波背景辐射(CMB)信号比地球上任何其他地点都清晰。哈佛-史密森尼天体物理中心的第二代BICEP南极望远镜,就建在地理南极点附近。
2014年3月,BICEP2团队宣布了一项在当时震动了整个科学界的发现:他们在CMB图像中找到了原初引力波留下的印迹。
在CMB图像中,研究团队观察到如下图所示的,或沿顺时针,或沿逆时针扭曲的偏振信号,此类信号被称作“B模式偏振信号”。要产生偏振,一定是宇宙中的光子受到某类波动干扰。此前科学家已经证实了,在宇宙尺度上,这类信号只可能来自一种情况:宇宙暴胀时的原初引力波。也就是说,如果B模式偏振信号被证实,那么我们将首次为暴胀假说找到直接证据。
原初引力波的发现意义非凡,不过好景不长,仅仅两个月后,就有宇宙学家对BICEP2团队的结论提出质疑,认为研究中的方法出现了错误,他们得到的所谓“B模式偏振信号”,可能只是受银河系尘埃干扰而产生的噪音信号。
随着普朗克卫星的数据不断传回,在发表最初结论半年后,BICEP2团队在论文中承认,其信号“很可能来自星际尘埃”。至此,这项曾轰动一时的“重磅发现”逐渐归于沉寂。
不过,并非所有物理学家都认同这一解释,彭罗斯就基于BICEP2团队的研究,提出了不同的观点。
循环的宇宙?
现年87岁的彭罗斯是当代最近影响力的理论物理学家之一。除了与霍金共同证明奇点存在的条件,并提出了著名的宇宙监督假说,他还贡献了一些看似脑洞大开、极富争议的想法。共形宇宙循环学说(CCC)就是其中之一。
2004年,彭罗斯与其他几位理论物理学家共同提出了这一学说。随后,这一观点随着彭罗斯在2010年出版的著作《时间轮回:宇宙的新观点》(Cycles of Time: AnExtraordinary New View of the Universe)开始为人所熟知。传统的宇宙学理论认为大爆炸是宇宙的开端,而在此之前,所有的物质都集中在一个奇点,“时间”这一概念也不存在。与此相对的,是一批认为时间没有开端的理论:在大爆炸之前,就有另一个宇宙存在。前一个宇宙在经历一场坍缩后,密度达到最大点,进而触发138亿年前的大爆炸。
彭罗斯的共形宇宙循环学说更进一步。在他看来,遥远的过去和未来实际上是宇宙循环中的同一个阶段。当一个宇宙逐步收缩、走向终结,时间会重新拨回原点,开启新一轮的大爆炸、膨胀与收缩。
然而,怎样才能找出支持CCC假说的证据?我们无法触及大爆炸之前的上一轮宇宙,但如果它真的存在,或许在行将结束之际,某些天文现象能在新一轮宇宙中留下独特的印记。
可疑的环状图案
在BICEP2团队得到的CMB图像中,彭罗斯和同事就找到了他们想要的证据。在文章开头提到的那些乌龙“B模式偏振信号”中,他们注意到一些异常的环:这些环的内外存在巨大的温差。是什么样的过程导致了这一现象?要在宇宙形成初期找到这样的过程几乎不可能,对此,彭罗斯给出了他的解释:在上一轮宇宙收缩的过程中,一个超大质量黑洞蒸发,释放出霍金辐射。当宇宙终结,黑洞已经蒸发完毕,但霍金辐射保留了下来,在CMB图像中形成环形印记。为了表达对老搭档霍金的敬意,彭罗斯将这类点命名为“霍金点”。
在BICEP2测绘出的CMB图中,彭罗斯等人观察到了20个存在温度差异的可疑圆环。彭罗斯表示,目前他们已经确认其中一个环属于霍金点,此外还有四五个点需要进一步研究分析。
由于没能从BICEP2团队获得原始数据,彭罗斯等人只能从图像中读取信息。这给该研究带来一定的挑战:由于图像中的一个像素是一片区域的平均,因此由此展开的分析是否足够精确、对单个霍金点的论证是否存在偏差,都存在疑问。
对此,彭罗斯团队表示,根据普朗克天文望远镜的CMB数据,他们验证了霍金点的真实性,超过4000次的模拟也证实了这些异常点的存在。
争议
当然,与以往一样,这个颇为激进的观点一经提出,就引起了不小的争议。
法兰克福高等研究所的理论物理学家Sabine Hossenfelder在博客上表示,按照彭罗斯的估算,宇宙中应该有上百万个霍金点。然而,在覆盖了三分之一天区的BICEP2图上,算上所有可疑的点,也不过20个。那么,其余的霍金点都去哪了?是因为太弱而无法观测到,还是所谓的“霍金点”根本就不成立?
NASA喷气推进实验室的Olivier Dore也认为,这些信号还可能有其他的成因:“论文中的解释虽然有趣,但还需要更多细节来证实他们的猜想。”
而来自BICEP2团队的Brian Keating,则对彭罗斯的假说表现出开放的态度。Keating说,图中的“B模式偏振信号”很可能是太空中大体积物体弯曲光线产生的,“彭罗斯等人的解释与我们的不同,”Keating说,“但光子不会自己告诉我们‘我来自黑洞’或是‘我来自星际尘埃’。”
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