文章來源： 環球科學ScientificAmerican（ID：huanqiukexue）
138億年前，大爆炸拉開了宇宙演化的序幕。但這就是時間的開端嗎？在大爆炸之前、在現在的宇宙終結之後，還有另一個宇宙存在嗎？在一篇最近發表在預印本網站arxiv的論文中，著名理論物理學家羅傑·彭羅斯提出，宇宙微波背景輻射圖像中的一類圖案，是比大爆炸更為古老的黑洞的遺蹟。如果得到證實，這將成為循環宇宙說的有力證據。
“原初引力波”烏龍
彭羅斯的最新研究，要從2014年的一起烏龍事件說起。
冰封的南極大陸人跡罕至，成為備受物理學家青睞的天文觀測場所。南極乾燥的空氣、極高的空氣透明度，使得從這裡接收到的宇宙微波背景輻射（CMB）信號比地球上任何其他地點都清晰。哈佛-史密森尼天體物理中心的第二代BICEP南極望遠鏡，就建在地理南極點附近。
BICEP2南極望遠鏡（圖片來源：哈佛大學）
2014年3月，BICEP2團隊宣佈了一項在當時震動了整個科學界的發現：他們在CMB圖像中找到了原初引力波留下的印跡。
在CMB圖像中，研究團隊觀察到如下圖所示的，或沿順時針，或沿逆時針扭曲的偏振信號，此類信號被稱作“B模式偏振信號”。要產生偏振，一定是宇宙中的光子受到某類波動干擾。此前科學家已經證實了，在宇宙尺度上，這類信號只可能來自一種情況：宇宙暴脹時的原初引力波。也就是說，如果B模式偏振信號被證實，那麼我們將首次為暴脹假說找到直接證據。
原初引力波的發現意義非凡，不過好景不長，僅僅兩個月後，就有宇宙學家對BICEP2團隊的結論提出質疑，認為研究中的方法出現了錯誤，他們得到的所謂“B模式偏振信號”，可能只是受銀河系塵埃干擾而產生的噪音信號。
隨著普朗克衛星的數據不斷傳回，在發表最初結論半年後，BICEP2團隊在論文中承認，其信號“很可能來自星際塵埃”。至此，這項曾轟動一時的“重磅發現”逐漸歸於沉寂。
不過，並非所有物理學家都認同這一解釋，彭羅斯就基於BICEP2團隊的研究，提出了不同的觀點。
循環的宇宙？
現年87歲的彭羅斯是當代最近影響力的理論物理學家之一。除了與霍金共同證明奇點存在的條件，並提出了著名的宇宙監督假說，他還貢獻了一些看似腦洞大開、極富爭議的想法。共形宇宙循環學說（CCC）就是其中之一。
羅傑·彭羅斯（圖片來源：wikimedia）
2004年，彭羅斯與其他幾位理論物理學家共同提出了這一學說。隨後，這一觀點隨著彭羅斯在2010年出版的著作《時間輪迴：宇宙的新觀點》（Cycles of Time: AnExtraordinary New View of the Universe）開始為人所熟知。傳統的宇宙學理論認為大爆炸是宇宙的開端，而在此之前，所有的物質都集中在一個奇點，“時間”這一概念也不存在。與此相對的，是一批認為時間沒有開端的理論：在大爆炸之前，就有另一個宇宙存在。前一個宇宙在經歷一場坍縮後，密度達到最大點，進而觸發138億年前的大爆炸。
彭羅斯的共形宇宙循環學說更進一步。在他看來，遙遠的過去和未來實際上是宇宙循環中的同一個階段。當一個宇宙逐步收縮、走向終結，時間會重新撥回原點，開啟新一輪的大爆炸、膨脹與收縮。
然而，怎樣才能找出支持CCC假說的證據？我們無法觸及大爆炸之前的上一輪宇宙，但如果它真的存在，或許在行將結束之際，某些天文現象能在新一輪宇宙中留下獨特的印記。
可疑的環狀圖案
在BICEP2團隊得到的CMB圖像中，彭羅斯和同事就找到了他們想要的證據。在文章開頭提到的那些烏龍“B模式偏振信號”中，他們注意到一些異常的環：這些環的內外存在巨大的溫差。是什麼樣的過程導致了這一現象？要在宇宙形成初期找到這樣的過程幾乎不可能，對此，彭羅斯給出了他的解釋：在上一輪宇宙收縮的過程中，一個超大質量黑洞蒸發，釋放出霍金輻射。當宇宙終結，黑洞已經蒸發完畢，但霍金輻射保留了下來，在CMB圖像中形成環形印記。為了表達對老搭檔霍金的敬意，彭羅斯將這類點命名為“霍金點”。
圖中的環形，是先前宇宙留下的遺蹟？（圖片來源：Daniel An, Krzysztof A. Meissner and Roger Penrose）
在BICEP2測繪出的CMB圖中，彭羅斯等人觀察到了20個存在溫度差異的可疑圓環。彭羅斯表示，目前他們已經確認其中一個環屬於霍金點，此外還有四五個點需要進一步研究分析。
由於沒能從BICEP2團隊獲得原始數據，彭羅斯等人只能從圖像中讀取信息。這給該研究帶來一定的挑戰：由於圖像中的一個像素是一片區域的平均，因此由此展開的分析是否足夠精確、對單個霍金點的論證是否存在偏差，都存在疑問。
對此，彭羅斯團隊表示，根據普朗克天文望遠鏡的CMB數據，他們驗證了霍金點的真實性，超過4000次的模擬也證實了這些異常點的存在。
爭議
當然，與以往一樣，這個頗為激進的觀點一經提出，就引起了不小的爭議。
法蘭克福高等研究所的理論物理學家Sabine Hossenfelder在博客上表示，按照彭羅斯的估算，宇宙中應該有上百萬個霍金點。然而，在覆蓋了三分之一天區的BICEP2圖上，算上所有可疑的點，也不過20個。那麼，其餘的霍金點都去哪了？是因為太弱而無法觀測到，還是所謂的“霍金點”根本就不成立？
NASA噴氣推進實驗室的Olivier Dore也認為，這些信號還可能有其他的成因：“論文中的解釋雖然有趣，但還需要更多細節來證實他們的猜想。”
而來自BICEP2團隊的Brian Keating，則對彭羅斯的假說表現出開放的態度。Keating說，圖中的“B模式偏振信號”很可能是太空中大體積物體彎曲光線產生的，“彭羅斯等人的解釋與我們的不同，”Keating說，“但光子不會自己告訴我們‘我來自黑洞’或是‘我來自星際塵埃’。”
-END-
分享每一份收穫
本文系“趙民微分享”公眾號轉載文章，對文中觀點保持中立，對所包含內容的準確性、可靠性或者完整性不提供任何明示或暗示的保證，不對文章觀點負責，僅作分享之用，版權屬於原作者。如果分享內容侵犯您的版權或者非授權發佈，請及時與我們聯繫，我們會及時審核處理。
閱讀更多 趙民微分享 的文章
