“大爆炸宇宙論”（The Big Bang Theory）是現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。
大爆炸理論提出以後，並不是順水推舟，一帆風順，其一出現雖然得到了大量的觀測證實，但同時也帶來了一些嚴重問題，這些問題或稱為大爆炸頭頂上的“三朵烏雲”。是這個理論完全揭示不了的，今天就瞭解下這三大難疑惑！
首先是空間溫度波動各向同性的問題
當人們首次發現宇宙微波背景輻射時，它充滿全天空各向均勻（即在各個方向都基本一樣），並有著與黑體輻射一致的能量譜，很多與大爆炸相左的學說在科學上都開始站不住腳了，從而逐漸被淘汰。可是，也正是這個橫空出世般地支持大爆炸理論的證據，帶來了一個讓人頭疼的新問題，這個問題就是：微波背景輻射的溫度，憑什麼在各個方向上是均勻的？
我們來仔細想一想。請面朝東方的天邊，把目光集中在一個很小的區域上，這個區域的面積不要大於你手臂伸直時看到的你自己的小指指甲。然後假想你的視線在這個方向上穿過大氣層，越過銀河系內的恆星，越過已知的河外星系，瞬間跨過上百億光年的距離到達了微波背景發出的位置，在那裡，宇宙中的離子化物質轉變成了中性原子。
你在那裡還可以看到宇宙年齡只有38萬年時的那些光子，它們的光譜明確地告訴你它們的溫度。此時，你應該不會驚訝於這個小區域內的溫度的高度統一，其中正在形成中性原子的粒子也都經歷了彼此很相似的宇宙史。它們相當密集，因此有機會彼此撞擊並交換光子，從普遍意義上來說，也可以說是交換信息。
所以，這個小區域內溫度彼此一致是不足為奇的。現在請你轉向西邊，看著西邊的一塊同樣面積的小區域，然後在北面、南面、天頂也各想象一塊這樣的小區域。現在你知道這幾個小區域之間的溫度也是沒有差別的。然而這個信念其實非常令人困惑。按理來說，你不能指望它們各自的溫度全都一樣，因為它們彼此距離遙遠，以至於任何信號（包括光）都來不及在宇宙的年齡限度之內在它們之間傳遞信息。
但不知為什麼，我們觀測結果鐵證如山；在那些彼此根本無法交換信息的區域之間，在那些根本沒可能得到熱交換機會從而使彼此溫度趨於一致的區域之間，溫度確實是一致的！按常理推斷，這些彼此遙遠到不能聯繫的地方，溫度相差一倍甚至兩倍也不奇怪，可實際上它們之間的溫差小到了只有十萬分之幾度的水平。
這個問題被稱為“天際疑難”（horizon problem），意思就是說這些彼此在對方天際之外的區域，本無相互作用和交換信息的任何渠道，卻在不明原因之下意外地有著彼此極為相似的性質。
空間平坦“0曲率”問題
與此相似，宇宙的“哈勃膨脹”也帶來了一個尷尬的問題。想表述這個問題，需要更多一點的背景知識。你應該還記得，我們在廣義相對論的語境中，把空間和時間聯合起來，看作一種四維的“肌理”，並且認為物質和能量的現實分佈決定著這些肌理的具體形狀。
不過物質和能量並不只是使時空肌理髮生彎曲這麼簡單，由於空間自身也在膨脹，所以存在於空間之內的物質和能量還在隨時間流逝而改變著空間的膨脹率。空間肌理的膨脹率必然是從某個初始值開始的，物質和輻射的存在及其密度與類型，不僅過去影響著膨脹率的變化，今後直到遙遠的未來也會一直影響下去。
宇宙自身的膨脹傾向，與物質和能量帶來的引力牽拉，是兩種宇宙學上的基本力量，它們二者競爭的結果決定著宇宙的命運。這兩種偉大的力量正在不斷角力，雙方都試圖主宰宇宙的發展方向。原生的膨脹趨勢一開始肯定是極端強烈的，它要把所有曾經存在於特定區域內的物質和輻射全都拉散，終至曠寥和寂滅。而所有物質和能量也有極強的彼此聚攏的傾向，它們能在這場宏大的鬥爭中勢不可當地將宇宙的影脹速度拖慢，或許還有可能讓形勢發生逆轉。在這一圖景的基礎上，我們可以想象得到宇宙的三種可能發展趨勢：
- 引力最終獲勝：雖然初始的膨脹率快得似乎無可匹敵，但物質和能量的總量也帶來了難以想象的巨大引力，足以再將膨脹率逐漸拖慢，最終完全減小到零！此時宇宙的直徑達到最大值，而引力當然不會因此就停止其作用，於是整體局面會翻轉過來，宇宙會漸漸收縮，讓萬物的溫度和密度都再次高漲起來，直至最終互相擠壓毀滅，這叫作“大坍縮”（Big Crunch）。
- 膨脹最終獲勝：初始的膨脹率快得無可匹敵，雖然物質和能量的分佈密度足以讓初始膨脹速度減緩一些，但不足以徹底勝過如此迅速地擴張著的時空。引力仍會一點點地將宇宙的膨脹速度降低，可是這個速度最終不會降到零。只要擴張速度是正數，哪怕再小，也會讓宇宙帶著它含有的全部物質與能量繼續增大下去，進入無限稀散的深淵。這一圖景有許多的別稱，如“熱寂”（Heat Death）、“大冷卻”（Big Chill），以及“大凍結”（Big Freeze），總之就是宇宙會永遠擴張並冷卻下去。
- 臨界情況：將前面的兩種宇宙圖景做個完全的折中，不難想象一個剛好處於臨界狀況的宇宙——在這個宇宙中，多出一個質子都會使宇宙最終陷入大坍縮，而缺少一個就會使宇宙無限膨脹下去，但物質的數量卻剛剛好。在這種可能性中，初始的膨脹率與物質和能量的密度之間有一種神秘的潛在平衡，結果宇宙的膨脹速度函數極限漸進於零，到達零之後不會收縮。這種情況被稱為“臨界情況”，有時也被戲稱為“金鳳花姑娘的宇宙”（Goldilocks Universe）。
這三種情況分別對應著宇宙的時空肌理的三種不同形態。第一種情況，也就是引力獲勝從而令宇宙重新收縮至“大坍縮”結局的情況，對應著一個曲率為正的宇宙，其四維的形態若類比到三維空間，則近乎一個球面。第二種情況，也就是膨脹獲勝從而讓宇宙永遠擴張下去以至“大凍結”的情況，對應的是一個曲率為負的宇宙，其類比形狀像一個馬鞍狀平面，沿著馬的側腹形狀翹曲，在馬的脊柱方向上也兩端翹起。第三種情況，也就是臨界的或者說“金鳳花姑娘”的情況，在降低維度之後對應著一個平坦的宇宙，其曲率絕對為零。
如果宇宙空間的肌理有其自身固有的曲率，那麼對物理學來說就是一件很有遍的事情了，因為從原則上說這種曲率應該是可測的！假想一下，你往離地球很遠的地方發射了兩部信號收發機，並測量了二者的夾角，同時這兩部機器也都滿量了地球和除自己外的另一部機器之間的夾角，然後彙總三方的數據，加起來看一下。你的第一感覺肯定是三者總和為180°，對吧？因為你知道三角形的內角之和就是180°。但是，如果宇宙空間不是平直的，得數就不會是這樣！
我們舉個例子來講一下如果空間是彎曲的，會發生什麼情況：假設三個人甲、乙、丙都站在地球的表面（這是個曲面而非平面），其中甲在北極，乙在厄瓜多爾的首都基多，丙在巴西的港城馬卡帕（Macapα）。現在，在乙看來，甲和丙的夾角是90°；在丙看來，甲和乙的夾角也是90°；但在甲看來，乙和丙的夾角則是21°。三者相加是201°，而非180°！
我們用這種方法去實際測量空間曲率，道理也是一樣的。但我們即使是動用最高的技術精度，結論也沒有改變，宇宙確實是平直的。這一事實本身已經足夠詭異了！這說明宇宙的密度真的對應於金鳳花姑娘的情況，它的數值準得不可思議，彷彿真有人細緻地調節過。只要宇宙的物質比現在少 1/10^25，也即少 0.000 000 000 000 000 000 000 01%，它如今的直徑就應該是實際的2倍；而如果宇宙物質比現在多1/10^25，那麼它早在幾十億年前就應該在坍縮中結束了！出於某種尚未能解釋的原因，我們的宇宙真是平坦得出奇！這個疑問也叫“平坦疑難”(the flatness problem），也是大爆炸理論難以解決的情況之一。
磁單極子消失問題
最後，我們知道描述宇宙需要一種新的高能物理學(最有可能的情況是增加一種新粒子），以便解釋目前看到的物質與反物質之間的不對稱性。現在各路理論家為解釋這一情況給出了許多種一般性的預言，其中一種就是在宇宙的早期曾經有一種超重的粒子相對豐富。務實地說，依據這些模型，至少有一種新創出來的粒子應該是穩定的，也就是說它直到今天也還存在，而且數量並沒稀少到測不出來。
如果宇宙真像大爆炸理論所做的一般性推測說的那樣，有過一個高溫、高密的，能量水平超高的階段，這些未知粒子那時就應該能被創生出來，其中穩定的種類也就能留存至今。要特別一提的是，其中一種穩定粒子應該能以超重的磁單極子的形式被我們觀察到。
正如電荷有正負之別那樣，磁場也有南北兩極之分。我們通常知道，電荷可以單獨出現，磁極卻必須成對現身，不能“耍光棍”。不過，在超高能的情況下，尤其是在電弱力與強核力合一的情況下，磁極的基本類型“南”或“北”確實可以像電荷那樣不必成對！不同於既有磁南極又有磁北極的“磁偶極子”，這種擁有極高能量、只有一個磁極的粒子叫作“磁單極子”。
即便“南”磁單極子和“北”磁單極子互為對方的反粒子，相撞就會湮滅，但只要數量足夠，肯定會有一些磁單極子逃脫了湮滅的命運，留到了如今，並且能夠被地面上的實驗設備偵測到。
尋找磁單極子的工作從20世紀70年代初就開始了，然而全無成效。1982年，事情曾有轉機，斯坦福大學的物理學家卡布雷拉（Blas Cabrera）偵測到了一個疑似磁單極子的粒子。這件事在學界引起了一陣興奮，不少單位開始建設更大型、更敏銳的探測設備，這不光是要驗證卡布雷拉的結果，更是想深入認識磁單極子的秉性。可惜的是，此後三十多年時光匆匆過去，人們再也沒有得到第二個疑似磁單極子的記錄，卡布雷拉的結果因此也只能被當成一個孤立的異常數據，存疑不問。這個找不到磁單極子的困境被叫作“單極疑難”，它也是大爆炸理論預言落空的實例之一。
以上就是大爆炸理論誕生後，我們面臨的三個難題，也是大爆炸理論頭頂上的三多烏雲：微波輻射溫度波動各向同性問題，空間平坦問題，以及磁單極子問題。下一回我們再說宇宙學家如何解決這些問題。
閱讀更多 歆琳科普 的文章
