大反转——宇宙不再膨胀，反而在坍缩？
图片来源:Bock等(2006,astro-ph/0604101);E. Siegel修改
20世纪早期最伟大的科学成就之一是发现了不断膨胀的宇宙：随着时间的推移，遥远的星系离我们越来越远，我们之间的空间根据爱因斯坦的广义相对论在不断膨胀。20世纪中期，有人提出了一个伟大的想法，如果宇宙在今天变得更大更冷，那么在过去它会更小，更热，密度更大:大爆炸。大爆炸延伸出了一些预测:
会有一个巨大的宇宙结构网，大、中、小型结构以一定的模式聚集在一起，
会有来自早期宇宙的剩余辐射光，它冷却到比绝对零高几度，
对于宇宙中最轻的元素，氢，氦和锂的不同同位素，将有一组特定的比率。
图片来源:NASA / WMAP科学团队，Arno Penzias和Bob在1965年发现了宇宙微波背景辐射。(+)
在1960年代和1970年代，所有这些预测都以不同程度的准确性得到证实，并且“大爆炸”已被压倒性地接受为宇宙中我们可以感知和检测的一切事物起源的主要理论。但是，在谈到“大爆炸”时，还有一些问题没有得到解答，在此框架内，一些现象是无法完全解释的。
为什么宇宙到处都是完全相同的温度？
为什么宇宙在空间上如此平坦；为什么膨胀率和物质/能量密度如此完美地彼此平衡？
如果宇宙早日实现了如此高的能量，为什么我们还没有看到稳定的遗物应该从那里散布到整个宇宙呢？
图片来源:E. Siegel，来自他的书《银河系之外》。如果这三个不同的空间区域(+)
如果宇宙是按照广义相对论的规则膨胀的，那么就没有理由期望空间中以大于光速的距离分隔的区域是相互连接的，更不用说相同的温度了。如果你把大爆炸带回到它的逻辑结论——一个无限热的、稠密的状态——就没有办法找到这些问题的答案。你只需要说，“它生来如此，”从科学的角度来看，这个回答不够严谨。
但是还有另一种选择。也许，宇宙并不是在大爆炸的那一刻，在这些条件下诞生的，而是在形成这些条件的早期阶段，而且炽热，密集，不断扩展和不断冷却的宇宙催生了我们。这将是理论家们的工作:弄清楚在这些条件下，什么可能的动力学可以为大爆炸的发生奠定基础。1979/1980年，艾伦·古斯（Alan Guth）提出了革命性的思想，改变了我们对宇宙起源的看法：宇宙膨胀。
图片来源:艾伦·古斯1979年的笔记本，推特@SLAClab，来自…(+)
通过假设大爆炸之前，宇宙并没有充满物质和辐射，而是由空间结构本身所固有的大量能量构成，古斯得以解决所有这些问题。此外，随着1980年代的进展，出现了进一步的发展，清楚地表明，为了使膨胀模型重现我们所看到的宇宙：
用物质和辐射填充它，
使宇宙各向同性（在所有方向上都相同），
使宇宙均匀（在所有位置都相同），
使它处于热、致密、膨胀的状态，
有很多的模型可以做到这一点，由安德烈·林德、保罗·斯坦哈特、安迪·阿尔布莱希特开发，加上亨利·泰、布鲁斯·艾伦、阿列克谢·斯塔奥宾斯基、迈克尔·特纳、大卫·施拉姆、洛奇·科尔布等人设计的附加细节。但是最简单的——那些解决了这个问题并且拥有最少的自由参数的——可以分为两类。
图片来源:伊森·西格尔，谷歌的图形工具。最简单的两类膨胀…(+)
有一种新的膨胀，你有一种势能，在顶部非常平坦，膨胀场可以“滚下来，慢慢地”到达底部；还有一种混乱的膨胀，你有一个u形的势能，你会再次慢慢地滚下去。
在这两种情况下，你的空间会呈指数增长，被拉伸成平面，到处都有相同的性质，当膨胀结束时，你会得到一个与我们的宇宙非常相似的宇宙。此外，你还会得到6个新的预测，这些预测在当时都还没有被观测到。
一个完美平坦的宇宙。由于膨胀会导致快速的指数膨胀，它会呈现出宇宙所经历的任何形状，并将其扩展到巨大的规模：规模远远超过我们所能观察到的。结果，我们看到的部分看起来与平面没有区别，就像窗户外面的地面看起来是平坦的一样，但实际上它是整个弯曲地球的一部分。我们只是因为视野不够大而不知道知道真正的曲率是多少。
宇宙的波动幅度可能大于光的传播范围。膨胀（通过使宇宙空间成指数增长）导致了很小的规模发生的事情被炸成了更大的规模。这包括量子涨落，该涨落通常在空白空间内就地波动。但是在膨胀期间，由于迅速的，指数级的膨胀，这些小规模的能量波动在整个宇宙范围内延伸到了巨大的宏观尺度，最终将跨越整个可见的宇宙！
最高温度不高的宇宙。如果我们能够将“大爆炸”带回到任意高温和高密度状态，我们会发现证据表明，宇宙曾经至少达到了物理定律破裂的温度标度：普朗克标度或能量的大约 10的19次方 GeV。但是，如果发生了膨胀，则它必然以低于该能级的水平发生，结果是，宇宙膨胀后的最高温度必须低于10的19次方GeV。
波动绝热或各处熵相等的宇宙。波动可能有不同的类型：绝热，等曲率或两者的混合。膨胀预测这些波动应该是100％绝热的，这意味着对宇宙起源的量子波动类型的详细测量应该揭示微波背景和大规模宇宙结构中的特征。
宇宙中的波动频谱仅比尺度不变（ns <1）性质小。这很大的！当然，膨胀通常会预测这些波动应该是规模不变的。但是，有一点需要警告或纠正：有效的通胀潜力的形状（即其倾斜度和凹度）会影响波动范围如何偏离理想的尺度不变性。两种最简单的通货膨胀模型，即新膨胀和混沌膨胀，给出的ns预测值通常覆盖0.92至0.98之间的范围。
最后，是一个具有特定重力波波动谱的宇宙。这是最后一个，也是唯一尚未确认的主要问题。某些模型（例如简单的混沌膨胀模型）会发出大幅度的引力波（BICEP2可以看到），而其他模型（例如简单的新膨胀模型）则可以给出非常小的引力波。
图片来源:欧洲航天局和普朗克合作。
在过去的35年中，我们对宇宙微波背景的波动进行了令人难以置信的全天候测量，从整个可见宇宙的尺度到仅0.07°的角分辨率。随着太空卫星的能力越来越强——1990年代的COBE，2000年代的WMAP，现在是2010年代的普朗克——当它小于当前年龄的0.003％时，我们已经了解很多了。
图片来源:斯隆数字巡天(SDSS)，包括当前的深度调查。
同样，大规模的结构勘测已变得无处不在，其中一些覆盖整个天空，而另一些覆盖更大的深度。借助斯隆数字天空调查提供的最佳现代数据集，我们已经能够确认这六个预测中的前五个，从而将膨胀置于非常稳固的基础上。
观察到该宇宙在空间上完全平坦-曲率精确为1-精度为1.0007±0.0025，这在宇宙的大规模结构中得到了最好的体现。
宇宙微波背景的涨落显示出一个宇宙，其尺度延伸到可观测宇宙的视界范围之内。
正如宇宙微波背景中的波动所表明的那样，我们宇宙所能达到的最高温度仅为〜10的16次方GeV，比非通货膨胀的宇宙小1,000倍。
根据我们的最佳测量结果，宇宙所固有的波动类型是100％绝热和0％等曲率。宇宙微波背景与宇宙大规模结构之间的相关性表明了这一点，尽管直到2000年代初才被证实。
从最先进的宇宙微波背景卫星Planck获得的最新数据来看，标量光谱指数（来自密度波动）不仅小于1，而且精确测量为ns = 0.968±0.006。
如果我们想寻找通货膨胀的第六个也是最后一个预测：重力波波动，那么最后一个数ns非常重要。
图片来源:NASA / WMAP科学团队。
微波背景下的波动频谱看起来像今天上面的弯曲线，但它是从膨胀结束到宇宙存在38万年之久，随着时间的推移，所有不同形式的能量之间的相互作用而产生的。它来自膨胀结束时的密度波动：水平线。只是，那条线不是很水平。线略有倾斜，斜率代表光谱指数ns从1的偏离。
之所以如此重要，是因为通货膨胀会针对特定比率（r）做出特定的预测，其中r是重力波波动与标量频谱指数ns的比率。对于通货膨胀模型的两个主要类别以及其他模型，r的预测值之间存在巨大差异。
图片来源:Kamionkowski和Kovetz，出现在ARAA, 2016年，来自…(+)
对于混沌模型，r通常非常大：不小于0.01，其中1是最大可能值。但是对于新的膨胀模型，r可以从大约0.05到很小的微小数字（如10负60次方）不等。如上所述，这些各种r值通常与ns的特定值相关。如果ns实际是我们最好衡量的值，目前为0.968，那么你可以给混沌膨胀和新膨胀写下的最简单模型仅给出的r值大于，10的负3次方。
正如Mark Kamionkowski在AAS上的演讲（基于本文）所报道的那样，对于ns的测量值，所有简单的模型都可以写下来，这意味着r不能在10-60到1的范围内；它的范围只能从10-3到1。这在短期内可能会带来非常非常大的问题，因为有大量基于地面的测量都在测量可以测量r的信号类型，已经被限制为，如果大于或等于〜10-3，则小于0.09。
图片来源:Kamionkowski和Kovetz，出现在ARAA, 2016年，来自…(+)
由膨胀产生的引力波波动会引起E模式和B模式极化，但是密度波动（和ns）仅在E模式下出现。因此，如果测量B模式极化，则可以了解重力波的波动并确定r！
这就是BICEP2，POLARBEAR，SPTPOL和SPIDER等实验目前正在努力进行的测量。透镜效应会导致B模式极化信号，但是如果通货膨胀波动大于r〜0.001，则可以在5-10年内通过运行并计划在此期间进行的实验看到它们。
如果我们找到r的正信号，则可能会强烈建议使用混沌模型（通常在r> 0.02时）或新的膨胀模型（通常r <0.04，并且存在重叠）。但是，如果ns的测量值保持现在认为的正确值，并且十年后我们限制r <10的负3次方，那么最简单的膨胀模型都是错误的。这并不意味着膨胀是错误的，而是意味着膨胀比我们最初认为的要复杂得多，甚至根本就不是标量场。
如果大自然对我们并不友好，那么宇宙膨胀的最后一个伟大预测-原始引力波的存在-将在未来数十年内使我们难以捉摸，并且将继续未经证实。
作者: Ethan Siegel Senior Contributor
联系客服
