2013年3月21日，歐洲航天局舉行了一次國際新聞釋出會，宣佈了來自一顆名為普朗克的衛星的新結果。該航天器繪製了宇宙微波背景（CMB）輻射圖，這是130多億年前大爆炸後不久發出的光，其細節比以往任何時候都更詳細。科學家告訴在場的記者，新的地圖證實了一個宇宙學家珍視了35年的理論：宇宙始於大爆炸，隨後是一段被稱為膨脹的超加速膨脹時期。這種膨脹使宇宙變得非常平滑，以至於在數十億年後，它在整個空間和各個方向上仍然幾乎是均勻的並且是“平坦”的，而不是像球體那樣彎曲，除了物質濃度的微小變化，這些變化解釋了我們周圍恆星、星系和星系團的精細層次結構。
新聞釋出會的主要資訊是，普朗克資料完美地符合最簡單的膨脹模型的預測，這加強了該理論已牢固確立的印象。該團隊暗示，關於宇宙學的書似乎已經蓋棺定論。
在公告發布後，我們三人在美國哈佛-史密森天體物理中心討論了其影響。伊賈斯當時是來自德國的訪問研究生；斯坦哈特是三十年前膨脹理論的最初構建者之一，但他後來的工作指出了該理論基礎的嚴重問題，他當時在哈佛度過他的學術休假；勒布是我們的東道主，擔任天文系主任。我們都對普朗克團隊一絲不苟的精確觀測表示讚賞。然而，我們不同意這種解釋。如果說有什麼不同的話，那就是普朗克資料不支援最簡單的膨脹模型，並加劇了該理論長期存在的基礎性問題，為考慮關於宇宙起源和演化的競爭性觀點提供了新的理由。
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自那以來的幾年裡，普朗克衛星和其他儀器收集的更精確的資料使情況更加有力。然而，即使現在，宇宙學界也沒有對大爆炸膨脹理論進行冷靜、誠實的審視，也沒有對質疑膨脹是否發生過的批評者給予足夠的重視。相反，宇宙學家似乎表面上接受了支持者的斷言，即我們必須相信膨脹理論，因為它為宇宙的觀測特徵提供了唯一簡單的解釋。但是，正如我們將要解釋的那樣，普朗克資料，加上理論問題，已經動搖了這一斷言的基礎。
追隨神諭
為了證明膨脹的問題，我們將首先遵循其支持者的旨意：毫無疑問地假設膨脹是真的。讓我們想象一下，一位自稱的神諭告訴我們，膨脹肯定發生在大爆炸後不久。如果我們接受神諭的說法為事實，那麼它究竟會告訴我們關於宇宙演化的什麼資訊？如果膨脹真的為宇宙提供了一個簡單的解釋，您會期望神諭的宣告告訴我們很多關於普朗克衛星資料中會發生什麼的資訊。
它會告訴我們的一件事是，在大爆炸後不久的某個時候，必須有一小塊空間充滿了奇異形式的能量，觸發了該區域的快速加速膨脹（“膨脹”）時期。大多數熟悉的能量形式，例如物質和輻射中包含的能量，由於引力自吸引力而抵抗並減緩宇宙的膨脹。膨脹要求宇宙充滿高密度的能量，這種能量在引力上自排斥，從而增強膨脹並使其加速。然而，重要的是要注意，這種關鍵成分，被稱為膨脹能量，純粹是假設性的；我們沒有直接證據表明它存在。此外，在過去的35年中，關於膨脹能量可能是什麼，已經有數百個提議，每個提議都產生非常不同的膨脹率和非常不同的總拉伸量。因此，很明顯，膨脹不是一個精確的理論，而是一個高度靈活的框架，包含許多可能性。
但是，神諭的斷言能告訴我們什麼對於所有模型都是正確的，而與膨脹能量的具體型別無關呢？首先，根據我們關於量子物理學的基本知識，我們可以肯定，膨脹結束後，整個宇宙的物質溫度和密度必然會在不同地點略有不同。亞原子尺度上膨脹能量濃度的隨機量子漲落將在膨脹期間被拉伸成宇宙大小的區域，這些區域具有不同數量的膨脹能量。根據該理論，當膨脹能量衰變為普通物質和輻射時，加速膨脹結束。在膨脹能量密度（每立方米空間中的膨脹能量量）略大的地方，加速膨脹將持續稍長的時間，並且當膨脹能量最終衰減時，宇宙的密度和溫度將略高。量子誘導的膨脹能量變化將因此被轉錄為宇宙微波背景光中略微較熱和較冷點的模式，這保留了那些時間的記錄。在隨後的137億年中，宇宙中微小的密度和溫度變化將在引力的影響下凝聚，形成星系和大規模結構的模式。
這是一個良好的開端，儘管有點模糊。我們能否預測整個空間中星系的數目和排列？空間彎曲和扭曲的程度？構成當前宇宙的物質或其他能量形式的量？答案是否定的。膨脹是一個如此靈活的想法，以至於任何結果都是可能的。膨脹是否告訴我們大爆炸為何發生或最初的空間塊是如何產生的，最終演變成今天觀測到的宇宙？答案再次是否定的。
點選或輕觸放大
圖片來源：ESA 和 普朗克合作組織
如果我們知道膨脹是真的，我們也無法預測太多關於普朗克衛星觀測到的熱點和冷點的資訊。普朗克地圖和早期對CMB的研究表明，無論您放大多少，熱點和冷點的模式幾乎都相同，科學家稱之為“尺度不變性”的特性。最新的普朗克資料顯示，與完美尺度不變性的偏差很小，只有幾個百分點，並且所有點的平均溫度變化約為0.01%。膨脹的支持者經常強調，有可能產生具有這些特性的模式。然而，這些說法忽略了一個關鍵點：膨脹允許許多其他不接近尺度不變的熱點和冷點模式，並且通常具有遠大於觀測值的溫度變化。換句話說，尺度不變性是可能的，但偏離尺度不變性和介於兩者之間的一切也是可能的，這取決於人們假設的膨脹能量密度的細節。因此，普朗克看到的排列不能被視為膨脹的證實。
值得注意的是，如果我們知道膨脹已經發生，那麼我們可以相當肯定地在普朗克CMB觀測中找到一個特徵，因為它在所有最簡單的膨脹能量形式中都很常見，包括標準教科書中介紹的那些。在量子漲落產生膨脹能量的隨機變化的同時，它們也產生空間的隨機扭曲，這些扭曲在膨脹結束後以空間扭曲波的形式在宇宙中傳播。這些擾動，被稱為引力波，是宇宙微波背景輻射中熱點和冷點的另一個來源，儘管它們具有獨特的極化效應（也就是說，引力波導致光對其電場具有某種首選方向，具體取決於光是來自熱點還是冷點，還是介於兩者之間的某個位置）。
不幸的是，尋找膨脹引力波的努力並沒有成功。儘管宇宙學家在1992年首次透過COBE（宇宙背景探測器）衛星以及隨後的許多實驗（包括甚至更新的2015年普朗克衛星結果）觀測到熱點和冷點，但截至本文撰寫之時，他們尚未發現任何來自膨脹的預期宇宙引力波的跡象，儘管他們為此進行了艱苦的搜尋。（2014年3月17日，南極BICEP2實驗的科學家宣佈探測到宇宙引力波，但後來當他們意識到他們實際上觀察到的是銀河系內塵埃顆粒引起的極化效應時，他們撤回了他們的說法。）請注意，這些預期的宇宙引力波與雷射干涉引力波天文臺（LIGO）在2015年發現的現代宇宙中黑洞合併產生的引力波無關。
普朗克衛星的結果——CMB中熱點和冷點模式中與完美尺度不變性的意外小（幾個百分點）偏差，以及未能探測到宇宙引力波——令人震驚。30多年來，最簡單的膨脹模型，包括標準教科書中描述的那些模型，首次受到觀測的強烈反對。當然，理論家迅速衝去修補膨脹圖景，但這以製造神秘的膨脹能量模型和揭示更多問題為代價。
山坡上的滑雪者
為了充分理解普朗克測量的影響，有必要仔細看看膨脹的支持者提出的膨脹模型，包括所有的缺點。
膨脹能量被認為來自一個假設的場，稱為暴脹子，類似於電場，它滲透空間並在空間中的每個點都具有強度（或值）。由於暴脹子是假設性的，理論家可以自由地想象暴脹子在引力上是自排斥的，從而導致宇宙的膨脹加速。空間中給定點的暴脹子場強度決定了那裡的膨脹能量密度。場強度和能量密度之間的關係可以用圖表上的曲線表示，該曲線看起來像一座山[見下方方框]。已提出的數百個膨脹能量模型中的每一個都具有這座山的精確形狀，這決定了膨脹結束後宇宙的性質——例如，宇宙是否是平坦而光滑的，並且具有接近尺度不變的溫度和密度變化。
自從普朗克資料釋出以來，宇宙學家發現自己處於類似於以下情況的情景中：想象一下，您住在一個與世隔絕的小鎮，該小鎮坐落在群山環繞的山谷中。您在這個鎮上見過的唯一的人是居民，直到有一天一個陌生人出現。每個人都想知道陌生人是如何來到你們鎮的。您諮詢了鎮上的八卦（又名當地的神諭），她聲稱知道她是滑雪來的。相信這個八卦，您認為只有兩條山路通往你們的山谷。任何閱讀指南的人都會知道第一座山，那裡可以使用滑雪纜車輕鬆到達。那裡的所有滑雪道都有穩定的下降；能見度和雪況通常都很好。第二座山完全不同。它沒有包含在任何標準的滑雪指南中。難怪！它的頂部以雪崩而聞名。通往你們鎮的唯一一條路是具有挑戰性的，因為它始於一個平坦的山脊，該山脊突然在一個陡峭的懸崖處結束。此外，沒有滑雪纜車。開始滑下這座山的唯一可想象的方法是首先從飛機上跳下來，並使用降落傘降落在山脊上的特定位置（精確到英寸），並以恰到好處的速度著陸；最輕微的錯誤都會導致滑雪者偏離軌道，朝著遙遠的山谷前進，或者將滑雪者困在山頂上；在最壞的情況下，雪崩可能會在滑雪者到達山脊之前開始，因此這個人將無法倖存。如果鎮上的八卦是正確的，即陌生人是滑雪來的，那麼唯一合理的結論是她是從第一座山下來的。
想象任何人走第二條路都是瘋狂的，因為與另一條山路相比，成功到達鎮上的機會微乎其微。但是隨後您注意到了陌生人的一些事情。她的外套上沒有附著滑雪纜車的票。根據這一觀察結果以及鎮上八卦繼續堅持認為陌生人是滑雪來的，您被迫得出奇怪的結論，即陌生人一定是走了第二座山。或者也許她根本沒有滑雪進來，您需要質疑鎮上八卦的可靠性。
類似地，如果一位自稱的神諭告訴我們，宇宙是透過膨脹演化到現在的狀態的，我們會期望膨脹能量密度曲線像指南中描述的山一樣，因為它具有從上到下簡單的形狀、最少的調整引數以及開始膨脹所需的最不苛刻的條件。事實上，直到現在，關於膨脹宇宙學的教科書幾乎都介紹了這種簡單、均勻形狀的能量曲線。特別是，沿著這些簡單曲線的能量密度隨著場強度的變化而穩步增加，因此有可能使暴脹子場的初始值使膨脹能量密度等於一個稱為普朗克密度的數字（比今天的密度大10120倍），這是宇宙首次從大爆炸中出現時可用的總能量密度。在這種有利的起始條件下，能量的唯一形式是膨脹，加速膨脹將立即開始。在膨脹期間，暴脹子場的強度將自然地演化，從而使能量密度緩慢而平穩地沿著曲線下降到曲線觸底的山谷，這對應於我們今天居住的宇宙。（我們可以將這種進展視為暴脹子場“滑雪”下曲線。）這就是教科書中介紹的經典膨脹故事。
圖片來源：棕色小鳥設計
但是普朗克觀測告訴我們這個故事不可能是正確的。簡單的膨脹曲線產生熱點和冷點，其與尺度不變性的偏差大於觀測到的偏差，並且引力波強度足以被探測到。如果我們繼續堅持認為膨脹發生了，普朗克結果要求暴脹子場“滑雪”下降更復雜的能量密度曲線，其形狀像第二座山，即具有高雪崩風險和低平山脊的山，山脊的盡頭是一個陡峭的懸崖，通往山谷。這樣的能量曲線不是簡單的、不斷上升的形狀，而是會從其最小值陡峭上升（形成懸崖），直到突然在一個能量密度比大爆炸後立即可用的普朗克密度小萬億倍的能量密度處沿高原（形成山脊）變平。在這種情況下，膨脹能量密度將僅佔大爆炸後總能量密度的無窮小部分，太小而無法立即引起宇宙膨脹。
由於宇宙沒有膨脹，暴脹子場可以從任何初始值開始，並以極快的速度變化，就像從直升機上跳下來的滑雪者一樣。然而，只有當暴脹子場最終達到與高原上的點相對應的值，並且暴脹子場變化非常緩慢時，膨脹才能開始。正如從高空墜落的滑雪者很難以正確的速度降落在平坦的山脊上，以便順利滑雪下山一樣，暴脹子場幾乎不可能以恰到好處的速度和恰到好處的場值來降低其速度以開始膨脹。更糟糕的是，由於在暴脹子速度減慢的大爆炸後的這段時間裡宇宙沒有膨脹，宇宙中能量分佈的任何初始扭曲或不均勻性都會增加；當它們變得很大時，無論暴脹子如何演化，它們都會阻止膨脹開始，就像雪崩可以阻止滑雪者順利滑雪下山，無論從直升機到山脊的軌跡多麼完美。
換句話說，透過接受神諭的話並堅持認為膨脹發生了，您將被普朗克資料迫使得出奇怪的結論，即膨脹是以高原狀能量密度曲線開始的，儘管它存在所有問題。或者也許在這一點上您會質疑神諭的可信度。
“多重混亂”
當然，沒有神諭。我們不應該僅僅接受膨脹發生的假設，尤其因為它沒有為宇宙的觀測特徵提供簡單的解釋。宇宙學家應該透過採用標準的科學程式來評估該理論，即根據我們對宇宙的觀測來估計膨脹發生的機率。在這方面，當前資料排除了最簡單的膨脹模型，而支援更人為的模型，這無疑是個壞訊息。但說實話，最新的觀測結果並不是膨脹理論遇到的第一個問題；相反，這些結果已經加劇了既有問題，併為既有問題增添了新的曲折。
例如，我們應該考慮宇宙是否有可能具有任何型別的膨脹能量所需的初始條件。為了使膨脹開始，必須滿足兩個不可能的標準。首先，在大爆炸後不久，必須有一個空間區域，其中時空的量子漲落已經消失，並且該空間可以用愛因斯坦的經典廣義相對論方程很好地描述；其次，該空間區域必須足夠平坦，並且能量分佈足夠平滑，以使膨脹能量能夠增長到支配所有其他形式的能量。對剛剛發生大爆炸後找到具有這些特徵的區域的機率進行的一些理論估計表明，這比在沙漠中間找到一座配備滑雪纜車和維護良好的滑雪道的雪山還要困難。
更重要的是，如果很容易找到一個從大爆炸中出現的區域，該區域足夠平坦和光滑以開始膨脹，那麼首先就不需要膨脹。回想一下，引入它的全部動機是為了解釋可見宇宙如何具有這些特性；如果開始膨脹需要相同的特性，唯一的區別是需要更小的空間區域，那麼這幾乎沒有進步。
然而，這些問題僅僅是我們問題的開始。膨脹不僅需要難以獲得的起始條件，而且一旦開始膨脹，也無法停止膨脹。這個障礙可以追溯到時空的量子漲落。它們導致暴脹子場的強度因地而異，導致空間中的某些點比其他點更早結束膨脹。我們傾向於認為量子漲落是很小的，但早在1983年，包括斯坦哈特在內的理論家就意識到，暴脹子場的大的量子躍遷，雖然罕見，但可能會完全改變膨脹的故事。大的躍遷可以增加暴脹子場的強度，使其值遠高於平均值，從而使膨脹持續更長時間。雖然大的躍遷很少見，但經歷過大的躍遷的區域與沒有經歷過大的躍遷的區域相比，體積會大幅膨脹，並迅速佔據空間。在瞬間，一個停止膨脹的區域被仍在膨脹的區域包圍並相形見絀。然後這個過程重複進行。在大多數膨脹的區域中，暴脹子場的強度將以導致能量密度降低和膨脹結束的方式變化，但罕見的大量子躍遷將使某些地方的膨脹繼續進行，併產生更大的膨脹體積。因此，這個過程繼續進行，永無止境。
圖片來源：弗里斯
透過這種方式，膨脹永恆地持續下去，產生無數個膨脹已經結束的區域，每個區域都創造了一個屬於自己的宇宙。只有在這些膨脹已經停止的區域中，空間的膨脹率才足夠慢，才能形成星系、恆星、行星和生命。令人擔憂的含義是，由於量子漲落的內在隨機化效應，每個區域的宇宙學性質都不同。一般來說，大多數宇宙都不會變得無扭曲或平坦；物質的分佈不會接近平滑；並且那裡的CMB光中的熱點和冷點模式不會接近尺度不變。這些區域跨越無限數量的不同可能結果，沒有任何一種區域，包括像我們可見宇宙這樣的區域，比另一種區域更可能。結果是宇宙學家稱之為多元宇宙的東西。由於每個區域都可以具有任何物理上可想象的性質，因此多元宇宙無法解釋為什麼我們的宇宙具有我們觀察到的非常特殊的條件——它們純粹是我們特定區域的偶然特徵。
甚至也許這幅圖景也過於樂觀。一些科學家對是否有任何空間區域演化成類似於我們可觀測宇宙的區域提出異議。相反，永恆膨脹可能會退化為純粹的量子世界，到處都是不確定和隨機的漲落，即使在膨脹結束的地方也是如此。我們想建議用“多重混亂”作為一個更合適的術語來描述永恆膨脹的未解決結果，無論它是由無限多個具有隨機分佈性質的區域組成，還是由量子混亂組成。從我們的角度來看，哪個描述是正確的無關緊要。無論哪種方式，多重混亂都無法預測我們可觀測宇宙的性質是可能的結果。一個好的科學理論應該解釋為什麼我們觀察到的事情會發生，而不是其他事情。多重混亂未能透過這項基本測試。
正規化轉變
鑑於所有這些問題，膨脹沒有發生的可能性值得認真考慮。如果我們退後一步，似乎有兩種邏輯可能性。要麼宇宙有一個開端，我們通常稱之為“大爆炸”，要麼沒有開端，而所謂的“大爆炸”實際上是“大反彈”，是從先前的宇宙學階段到當前膨脹階段的過渡。儘管大多數宇宙學家假設存在大爆炸，但目前沒有任何證據——零證據——可以說明137億年前發生的事件是大爆炸還是大反彈。然而，與大爆炸相反，反彈不需要隨後的膨脹時期來創造一個像我們發現的宇宙一樣的宇宙，因此反彈理論代表了與膨脹正規化的巨大轉變。
反彈可以實現與大爆炸加膨脹相同的目的，因為在反彈之前，長達數十億年的緩慢收縮跨度可以使宇宙平滑和扁平化。緩慢收縮與快速膨脹具有相同的效果似乎違反直覺，但是有一個簡單的論點表明它必須如此。回想一下，如果沒有膨脹，一個緩慢膨脹的宇宙會隨著時間的推移，由於引力對空間和物質的影響，而變得越來越彎曲、扭曲和不均勻。想象一下觀看這個過程的電影倒放：一個大的、高度彎曲、扭曲和不均勻的宇宙逐漸收縮並變得平坦和均勻。也就是說，在緩慢收縮的宇宙中，引力會反向充當平滑劑。
與膨脹的情況一樣，量子物理學也修正了反彈理論中簡單的平滑故事。量子漲落改變了不同地點的收縮率，因此某些區域比其他區域更早反彈並開始膨脹和冷卻。科學家可以構建模型，其中收縮率在反彈後產生溫度變化，這與普朗克衛星觀測到的熱點和冷點模式一致。換句話說，反彈前的收縮可以做到膨脹最初發明時應該做的事情。
與此同時，與膨脹相比，反彈理論具有重要的優勢：它們不會產生多重混亂。當收縮階段開始時，宇宙已經很大並且是經典的（也就是說，用愛因斯坦的廣義相對論來描述），並且它會在縮小到量子效應變得重要的尺寸之前反彈。因此，永遠不會出現一個階段，例如大爆炸，即整個宇宙都由量子物理學主導，並且沒有必要發明量子到經典的轉變。並且由於平滑過程中沒有膨脹來導致經歷罕見的大量子漲落的區域在體積上爆炸，因此透過收縮排行平滑不會產生多個宇宙。最近的工作已經產生了第一個詳細的提案，用於描述宇宙如何從收縮過渡到膨脹，從而能夠構建完整的反彈宇宙學。
非經驗科學？
鑑於膨脹的問題和反彈宇宙學的可能性，人們會期望今天的科學家之間就如何透過觀測來區分這些理論展開激烈的辯論。然而，仍然存在一個障礙：我們目前理解的膨脹宇宙學無法使用科學方法進行評估。正如我們所討論的，如果我們改變初始條件，改變膨脹能量密度曲線的形狀，或者僅僅注意到它導致永恆膨脹和多重混亂，膨脹的預期結果很容易改變。單獨地和集體地，這些特徵使膨脹如此靈活，以至於任何實驗都永遠無法證偽它。
一些科學家接受膨脹是無法檢驗的，但拒絕放棄它。他們提出，相反，科學必須透過拋棄其定義屬性之一：經驗可檢驗性來改變。這種觀點引發了一場關於科學的本質及其可能的重新定義的過山車式討論，從而促進了某種非經驗科學的想法。
一個常見的誤解是，實驗可以用來證偽一個理論。在實踐中，一個失敗的理論會透過嘗試修補它而越來越多地免受實驗的影響。該理論變得更加高度調整和神秘，以適應新的觀測結果，直到它達到一種狀態，即其解釋力減弱到不再被追求的程度。一個理論的解釋力是透過它排除的可能性集合來衡量的。更多的免疫意味著更少的排除和更少的權力。像多重混亂這樣的理論不排除任何東西，因此，權力為零。宣佈一個空洞的理論為不容置疑的標準觀點需要某種科學之外的保證。在沒有自稱的神諭的情況下，唯一的選擇是援引權威。歷史告訴我們，這是錯誤的道路。
今天，我們很幸運能夠透過觀測對我們提出尖銳的、根本性的問題。我們的主要想法沒有奏效這一事實是理論突破的歷史性機遇。我們不應該為早期宇宙蓋棺定論，而應該認識到宇宙學是廣闊的。