大爆炸的“三朵乌云”，什么是各向同性、0曲率和磁单极子问题？

“大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。

大爆炸理论提出以后，并不是顺水推舟，一帆风顺，其一出现虽然得到了大量的观测证实，但同时也带来了一些严重问题，这些问题或称为大爆炸头顶上的“三朵乌云”。是这个理论完全揭示不了的，今天就了解下这三大难疑惑！

首先是空间温度波动各向同性的问题

当人们首次发现宇宙微波背景辐射时，它充满全天空各向均匀（即在各个方向都基本一样），并有着与黑体辐射一致的能量谱，很多与大爆炸相左的学说在科学上都开始站不住脚了，从而逐渐被淘汰。可是，也正是这个横空出世般地支持大爆炸理论的证据，带来了一个让人头疼的新问题，这个问题就是：微波背景辐射的温度，凭什么在各个方向上是均匀的？

我们来仔细想一想。请面朝东方的天边，把目光集中在一个很小的区域上，这个区域的面积不要大于你手臂伸直时看到的你自己的小指指甲。然后假想你的视线在这个方向上穿过大气层，越过银河系内的恒星，越过已知的河外星系，瞬间跨过上百亿光年的距离到达了微波背景发出的位置，在那里，宇宙中的离子化物质转变成了中性原子。

你在那里还可以看到宇宙年龄只有38万年时的那些光子，它们的光谱明确地告诉你它们的温度。此时，你应该不会惊讶于这个小区域内的温度的高度统一，其中正在形成中性原子的粒子也都经历了彼此很相似的宇宙史。它们相当密集，因此有机会彼此撞击并交换光子，从普遍意义上来说，也可以说是交换信息。

所以，这个小区域内温度彼此一致是不足为奇的。现在请你转向西边，看着西边的一块同样面积的小区域，然后在北面、南面、天顶也各想象一块这样的小区域。现在你知道这几个小区域之间的温度也是没有差别的。然而这个信念其实非常令人困惑。按理来说，你不能指望它们各自的温度全都一样，因为它们彼此距离遥远，以至于任何信号（包括光）都来不及在宇宙的年龄限度之内在它们之间传递信息。

但不知为什么，我们观测结果铁证如山；在那些彼此根本无法交换信息的区域之间，在那些根本没可能得到热交换机会从而使彼此温度趋于一致的区域之间，温度确实是一致的！按常理推断，这些彼此遥远到不能联系的地方，温度相差一倍甚至两倍也不奇怪，可实际上它们之间的温差小到了只有十万分之几度的水平。

这个问题被称为“天际疑难”（horizon problem），意思就是说这些彼此在对方天际之外的区域，本无相互作用和交换信息的任何渠道，却在不明原因之下意外地有着彼此极为相似的性质。

空间平坦“0曲率”问题

与此相似，宇宙的“哈勃膨胀”也带来了一个尴尬的问题。想表述这个问题，需要更多一点的背景知识。你应该还记得，我们在广义相对论的语境中，把空间和时间联合起来，看作一种四维的“肌理”，并且认为物质和能量的现实分布决定着这些肌理的具体形状。

不过物质和能量并不只是使时空肌理发生弯曲这么简单，由于空间自身也在膨胀，所以存在于空间之内的物质和能量还在随时间流逝而改变着空间的膨胀率。空间肌理的膨胀率必然是从某个初始值开始的，物质和辐射的存在及其密度与类型，不仅过去影响着膨胀率的变化，今后直到遥远的未来也会一直影响下去。

宇宙自身的膨胀倾向，与物质和能量带来的引力牵拉，是两种宇宙学上的基本力量，它们二者竞争的结果决定着宇宙的命运。这两种伟大的力量正在不断角力，双方都试图主宰宇宙的发展方向。原生的膨胀趋势一开始肯定是极端强烈的，它要把所有曾经存在于特定区域内的物质和辐射全都拉散，终至旷寥和寂灭。而所有物质和能量也有极强的彼此聚拢的倾向，它们能在这场宏大的斗争中势不可当地将宇宙的影胀速度拖慢，或许还有可能让形势发生逆转。在这一图景的基础上，我们可以想象得到宇宙的三种可能发展趋势：

• 引力最终获胜：虽然初始的膨胀率快得似乎无可匹敌，但物质和能量的总量也带来了难以想象的巨大引力，足以再将膨胀率逐渐拖慢，最终完全减小到零！此时宇宙的直径达到最大值，而引力当然不会因此就停止其作用，于是整体局面会翻转过来，宇宙会渐渐收缩，让万物的温度和密度都再次高涨起来，直至最终互相挤压毁灭，这叫作“大坍缩”（Big Crunch）。

• 膨胀最终获胜：初始的膨胀率快得无可匹敌，虽然物质和能量的分布密度足以让初始膨胀速度减缓一些，但不足以彻底胜过如此迅速地扩张着的时空。引力仍会一点点地将宇宙的膨胀速度降低，可是这个速度最终不会降到零。只要扩张速度是正数，哪怕再小，也会让宇宙带着它含有的全部物质与能量继续增大下去，进入无限稀散的深渊。这一图景有许多的别称，如“热寂”（Heat Death）、“大冷却”（Big Chill），以及“大冻结”（Big Freeze），总之就是宇宙会永远扩张并冷却下去。

• 临界情况：将前面的两种宇宙图景做个完全的折中，不难想象一个刚好处于临界状况的宇宙——在这个宇宙中，多出一个质子都会使宇宙最终陷入大坍缩，而缺少一个就会使宇宙无限膨胀下去，但物质的数量却刚刚好。在这种可能性中，初始的膨胀率与物质和能量的密度之间有一种神秘的潜在平衡，结果宇宙的膨胀速度函数极限渐进于零，到达零之后不会收缩。这种情况被称为“临界情况”，有时也被戏称为“金凤花姑娘的宇宙”（Goldilocks Universe）。

这三种情况分别对应着宇宙的时空肌理的三种不同形态。第一种情况，也就是引力获胜从而令宇宙重新收缩至“大坍缩”结局的情况，对应着一个曲率为正的宇宙，其四维的形态若类比到三维空间，则近乎一个球面。第二种情况，也就是膨胀获胜从而让宇宙永远扩张下去以至“大冻结”的情况，对应的是一个曲率为负的宇宙，其类比形状像一个马鞍状平面，沿着马的侧腹形状翘曲，在马的脊柱方向上也两端翘起。第三种情况，也就是临界的或者说“金凤花姑娘”的情况，在降低维度之后对应着一个平坦的宇宙，其曲率绝对为零。

如果宇宙空间的肌理有其自身固有的曲率，那么对物理学来说就是一件很有遍的事情了，因为从原则上说这种曲率应该是可测的！假想一下，你往离地球很远的地方发射了两部信号收发机，并测量了二者的夹角，同时这两部机器也都满量了地球和除自己外的另一部机器之间的夹角，然后汇总三方的数据，加起来看一下。你的第一感觉肯定是三者总和为180°，对吧？因为你知道三角形的内角之和就是180°。但是，如果宇宙空间不是平直的，得数就不会是这样！

我们举个例子来讲一下如果空间是弯曲的，会发生什么情况：假设三个人甲、乙、丙都站在地球的表面（这是个曲面而非平面），其中甲在北极，乙在厄瓜多尔的首都基多，丙在巴西的港城马卡帕（Macapα）。现在，在乙看来，甲和丙的夹角是90°；在丙看来，甲和乙的夹角也是90°；但在甲看来，乙和丙的夹角则是21°。三者相加是201°，而非180°！

我们用这种方法去实际测量空间曲率，道理也是一样的。但我们即使是动用最高的技术精度，结论也没有改变，宇宙确实是平直的。这一事实本身已经足够诡异了！这说明宇宙的密度真的对应于金凤花姑娘的情况，它的数值准得不可思议，仿佛真有人细致地调节过。只要宇宙的物质比现在少 1/10^25，也即少 0.000 000 000 000 000 000 000 01%，它如今的直径就应该是实际的2倍；而如果宇宙物质比现在多1/10^25，那么它早在几十亿年前就应该在坍缩中结束了！出于某种尚未能解释的原因，我们的宇宙真是平坦得出奇！这个疑问也叫“平坦疑难”(the flatness problem），也是大爆炸理论难以解决的情况之一。

磁单极子消失问题

最后，我们知道描述宇宙需要一种新的高能物理学(最有可能的情况是增加一种新粒子），以便解释目前看到的物质与反物质之间的不对称性。现在各路理论家为解释这一情况给出了许多种一般性的预言，其中一种就是在宇宙的早期曾经有一种超重的粒子相对丰富。务实地说，依据这些模型，至少有一种新创出来的粒子应该是稳定的，也就是说它直到今天也还存在，而且数量并没稀少到测不出来。

如果宇宙真像大爆炸理论所做的一般性推测说的那样，有过一个高温、高密的，能量水平超高的阶段，这些未知粒子那时就应该能被创生出来，其中稳定的种类也就能留存至今。要特别一提的是，其中一种稳定粒子应该能以超重的磁单极子的形式被我们观察到。

正如电荷有正负之别那样，磁场也有南北两极之分。我们通常知道，电荷可以单独出现，磁极却必须成对现身，不能“耍光棍”。不过，在超高能的情况下，尤其是在电弱力与强核力合一的情况下，磁极的基本类型“南”或“北”确实可以像电荷那样不必成对！不同于既有磁南极又有磁北极的“磁偶极子”，这种拥有极高能量、只有一个磁极的粒子叫作“磁单极子”。

即便“南”磁单极子和“北”磁单极子互为对方的反粒子，相撞就会湮灭，但只要数量足够，肯定会有一些磁单极子逃脱了湮灭的命运，留到了如今，并且能够被地面上的实验设备侦测到。

寻找磁单极子的工作从20世纪70年代初就开始了，然而全无成效。1982年，事情曾有转机，斯坦福大学的物理学家卡布雷拉（Blas Cabrera）侦测到了一个疑似磁单极子的粒子。这件事在学界引起了一阵兴奋，不少单位开始建设更大型、更敏锐的探测设备，这不光是要验证卡布雷拉的结果，更是想深入认识磁单极子的秉性。可惜的是，此后三十多年时光匆匆过去，人们再也没有得到第二个疑似磁单极子的记录，卡布雷拉的结果因此也只能被当成一个孤立的异常数据，存疑不问。这个找不到磁单极子的困境被叫作“单极疑难”，它也是大爆炸理论预言落空的实例之一。

以上就是大爆炸理论诞生后，我们面临的三个难题，也是大爆炸理论头顶上的三多乌云：微波辐射温度波动各向同性问题，空间平坦问题，以及磁单极子问题。下一回我们再说宇宙学家如何解决这些问题。