戳破宇宙暴脹：宇宙學家深信不疑的「暴脹理論」會是答案嗎？

撰文：伊雅斯（Anna Ijjas）、斯坦哈特（Paul J. Steinhardt）、羅布（Abraham Loeb）
翻譯：李沃龍

在2013年3月21日舉行的國際記者會中，歐洲太空總署（ESA）公佈了普朗克衛星最新觀測結果。這顆探測衛星觀測130多億年前在大霹靂發生後不久發出的光子，以前所未有的精確度描繪宇宙微波背景（CMB）輻射分佈圖。科學家宣稱，新的CMB分佈圖證實了35年來宇宙學家極重視的「暴脹理論」：宇宙誕生自大霹靂之後，隨即在很短的時間內急遽膨脹。這段過程幾乎澈底鋪平了宇宙，直到百億年後在任何地點往各方向看，宇宙都保持近乎均勻且「平坦」，不像球體般彎曲；然而物質密度分佈仍有極細微的差異，可以解釋為何有星球、星系和星系團等階層結構存在。

記者會主要目的是：宣告普朗克衛星的數據完美符合最簡單暴脹模型的預測，強化暴脹理論根基穩固的形象。研究團隊似乎暗示我們已為宇宙學這本書寫下結局，並即將闔上。

該聲明發表後，我們（本文三位作者）在美國哈佛史密森尼天文物理中心討論這項宣示可能帶來的影響。伊雅斯當時是來自德國的訪問研究生；斯坦哈特是30年前暴脹理論的創建者之一，但他後續的研究卻指出該理論的根基問題重重，那時他輪休，正在哈佛大學擔任訪問學者；哈佛大學天文系主任羅布則擔任東道主。我們都認同普朗克團隊的觀測謹慎又精準，卻不同意他們的詮釋。若真要說任何值得關注之處，我們認為普朗克衛星的數據並不支持最簡單的暴脹模型，反倒加劇了長久以來該理論根基的問題，好讓我們再次考量其他可相抗衡的宇宙起源與演化概念。

之後，普朗克衛星又累積了更多精確的數據，然而綜合其他儀器的測量結果，只益發突顯暴脹理論的問題。不過宇宙學社群至今仍未冷靜、誠實檢視暴脹理論，亦未嚴肅正視關於暴脹是否發生的質疑。相反地，不少宇宙學家似乎對暴脹理論深信不疑，因為只有它能對已觀測到的宇宙性質提出簡單解釋。但我們即將說明，普朗克衛星的數據與理論上的問題，已撼動了暴脹理論的基礎。

暴脹理論有缺陷

為了闡明暴脹模型的問題，我們先依循倡議者的主張：假設暴脹毫無疑問曾發生。並假想有位「全知者」宣稱，暴脹必定發生於大霹靂後不久。我們可以從中得知哪些關於宇宙演化的資訊？假如暴脹真的可以提供宇宙演化一個簡單的解釋，我們勢必能期盼在普朗克衛星的觀測數據中，看到許多與全知者宣稱吻合的相關性質。

至少有件事可以確定：在大霹靂後不久，一小塊空間內滿是特殊型式的能量，導致空間急遽加速膨脹（稱為「暴脹」）。多數我們熟知的能量型式，例如物質與輻射帶有的能量，都會因為重力而抗拒並減緩宇宙的膨脹；相反地，如果暴脹要發生，宇宙必須充滿引發斥力的高密度能量，才能加速膨脹。但關鍵是，這種暴脹能量純然出於假設，沒有直接證據證明它必定存在。此外，在過去35年裡科學家提出數百種理論，試圖定義暴脹能量的型式，每一種的暴脹速率與整體的空間拉扯程度皆大不相同。因此，暴脹理論具有高度彈性、包含許多可能性，顯然不夠精確。

若不論暴脹能量的型式，我們可以從全知者的宣稱裡，了解暴脹模型的共通特性嗎？首先，根據基礎量子物理，暴脹結束時宇宙各處的溫度與物質密度應不盡相同。在暴脹時，次原子尺度下暴脹能量中的隨機量子漲落，會被拉扯成許多帶有不同能量的宇宙尺度區域。根據暴脹理論，當暴脹能量轉變成普通物質與輻射時，加速膨脹的過程便結束。暴脹能量密度（每立方公尺的暴脹能量）較高的區域，加速膨脹會持續較久；暴脹結束後，該處的溫度和物質密度就會稍高。量子效應引起的暴脹能量差異，將成為CMB分佈圖上的熱點與冷點，記錄了那些時刻的變動。在接下來137億年裡，宇宙中物質密度與溫度的微小差異將受重力影響，形成星系及大尺度結構。

這個說法雖有些模糊，卻是好的開始。我們可以藉此預測星系的數量與分佈、空間彎曲和變形的程度嗎？又有多少物質或其他型式的能量組成了今日的宇宙？以上皆非。由於暴脹概念極具彈性，任何結果都有可能發生。暴脹是否能告訴我們大霹靂為何發生？或是最初啟動暴漲的空間如何形成、最終演化成我們今天觀測到的宇宙？答案仍舊為否。

就算暴脹真的發生過，我們還是無法預測普朗克衛星觀測到的熱點與冷點。根據普朗克衛星的CMB觀測數據與先前的研究都指出，無論我們靠得多近，熱點與冷點的分佈型態幾乎總是相同，科學家稱此特性為「尺度不變性」。最新的普朗克數據顯示，宇宙幾乎達到完美的尺度不變性，僅偏離幾個百分比；所有冷熱點的平均溫度變化也只差萬分之一。

Photo Credit：科學人

倡議者強調，從暴脹理論推導出的溫度分佈可以滿足這些性質，但他們往往遺漏了一個關鍵：暴脹也容許其他偏離尺度不變性較多的冷熱點分佈存在，這些分佈的溫度差異通常遠大於觀測值。換言之，不論是尺度不變性、遠離尺度不變性或任何介於兩者之間的分佈模式都有可能發生，取決於理論模型所假設的暴脹能量密度。因此，普朗克衛星的觀測結果並不能做為暴脹發生的證據。

值得注意的一點是，如果暴脹真的發生過，我們就能在普朗克衛星的CMB觀測數據裡看到宇宙重力波的蹤跡。所有最簡單型式的暴脹能量（包括那些寫入教科書的）都會產生這種效應。隨機量子漲落造成暴脹能量的隨機差異，同時引起空間隨機扭曲，並在暴脹結束時以波的型式傳播出去。這些擾動稱為重力波，是CMB分佈圖上冷熱點的來源之一，不過重力波具有特殊的偏振模式（重力波驅使光波的電場沿特定方向振盪，取決於光來自熱點、冷點，或介於其間）。