一組科學家提出了一個關於膨脹宇宙的強有力新測試，該理論認為宇宙在大爆炸後的瞬間瞬間急劇膨脹，研究目標是深入研究一個長期存在的難題：大爆炸之前的宇宙是什麼樣子？雖然宇宙膨脹因解決了一些關於宇宙結構和演化的重要謎題而聞名，但其他非常不同的理論也能解釋這些謎題。在其中一些理論中，大爆炸之前的宇宙狀態（所謂的原始宇宙）正在收縮而不是膨脹，因此大爆炸是大反彈的一部分。
博科園-科學科普：為了幫助在宇宙膨脹和其他觀點之間做出選擇，不可避免地出現了可證偽性的問題，即一個理論是否可以通過檢驗來潛在地證明它是錯誤的。研究人員包括馬薩諸塞州劍橋市天體物理學中心的艾維·勒布(Avi Loeb)。這引發了人們對宇宙膨脹的擔憂，表明其看似無窮無盡的適應性，使得它幾乎不可能得到恰當的檢驗。可證偽性應該是任何科學理論的一個標誌，目前的膨脹宇宙形勢是，這是一個非常靈活的想法，無法通過實驗加以證明。
不管人們用什麼來衡量某種可觀察到的屬性，總有一些宇宙膨脹模型可以解釋它。現在，由CfA的陳新剛、勒布和哈佛大學物理系的鐘志賢宇領導一個科學家團隊，將他們所謂的“原始標準時鍾”概念應用到非膨脹理論中，並提出了一種可能被用來在實驗中模擬膨脹的方法，這項研究將作為編輯的建議發表在《物理評論快報》上。為了找到一些能將膨脹理論與其他理論區分開來的特徵，研究小組首先確定了各種理論的定義性質——原始宇宙大小的演化。
- 藝術插圖展示了原始標準時鍾在不同原始宇宙理論中產生的信號模式，上部：大反彈，底部：宇宙膨脹。圖片：CfA/Zhong-Zhi Xianyu, Xingang Chen, Avi Loeb
例如，在膨脹期間，宇宙的大小呈指數增長，在其他一些理論中，宇宙的大小會收縮，有些很慢，而另一些很快。到目前為止，人們提出用來測量的屬性通常很難區分不同理論，因為它們與原始宇宙大小的演化沒有直接關係，所以想找出哪些可觀察到的屬性可以直接與定義屬性相關聯。原始標準時鍾產生的信號就可以達到這個目，那個鍾是原始宇宙中任何一種重基本粒子。這樣的粒子在任何理論中都應該存在，它們的位置應該以一定的頻率振盪，就像鐘擺的滴答聲一樣。
原始宇宙並非完全一致，在極小的尺度上存在著微小密度不規則性，這些不規則性形成了今天宇宙中觀測到大規模結構的種子。這是物理學家瞭解大爆炸之前發生事情所依賴的主要信息來源。標準時鐘的滴答聲產生信號被印在這些不規則結構中。不同原始宇宙理論中標準時鍾預測不同的信號模式，因為宇宙演化歷史是不同的。如果把迄今為止我們所知道關於宇宙大爆炸之前發生的一切信息都想象成一卷膠片，那麼標準時鍾就會告訴我們這些膠片應該如何播放。
沒有任何時鐘信息，就不知道電影應該向前還是向後播放，快還是慢，就像我們不確定原始宇宙是膨脹還是收縮，以及膨脹的速度有多快一樣。這就是問題所在，當電影在大爆炸前拍攝時，標準的時鐘會在每一幀上蓋上時間戳，並告訴我們如何播放這部電影。研究小組計算了這些標準時鍾信號在非膨脹理論中應該是什麼樣子，並建議在天體物理觀測中應該如何尋找它們。如果發現一種表示宇宙收縮的信號模式，就會證明整個宇宙膨脹理論是錯誤的。
這個想法的成功在於實驗，這些信號很難探測到，所以我們可能不得不在許多不同的地方進行搜索。宇宙微波背景輻射就是這樣一個地方，而星系的分佈又是另一個地方，已經開始尋找這些信號，已經有一些有趣的候選信號，但我們需要更多的數據。未來的許多星系研究，如美國主導的LSST、歐洲的Euclid以及美國宇航局新近批准的SphereX項目，有望提供高質量的數據，用於實現這一目標。
博科園-科學科普｜研究/來自: 哈佛史密森尼天體物理中心
參考期刊文獻:《物理評論快報》,《arXiv》
Cite: arXiv:1809.02603
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