宇宙是如何開始的？我們起源於大爆炸，還是宇宙反彈？宇宙是否可能在一個膨脹和坍縮的迴圈中演變，永恆地重複？現在，在兩篇論文中，研究人員對所謂的反彈宇宙的不同模型提出了質疑，表明我們周圍看到的宇宙可能是一次性的事件。
反彈宇宙的支持者認為，我們的宇宙並非憑空產生。相反，擁護者聲稱，先前的宇宙自身收縮，然後重新生長成我們現在所居住的宇宙。這可能發生過一次，或者根據某些理論，無限次。
那麼哪種情景是正確的呢？關於宇宙歷史最廣為接受的解釋是，宇宙始於大爆炸，隨後是被稱為宇宙膨脹的快速膨脹時期。根據該模型，宇宙早期高溫高熱時期遺留下來的餘輝，稱為宇宙微波背景（CMB），無論你朝向哪個方向看，都應該看起來大致相同。但是，普朗克空間天文臺在2009年至2013年間繪製的CMB資料顯示，微波輻射存在意外的變化。這些變化可能是宇宙溫度中無意義的統計波動，也可能是一些有趣現象的跡象。
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一種可能性是，CMB異常現象暗示宇宙並非憑空產生。相反，它是在先前的宇宙坍縮並反彈以創造我們今天所居住的空間和時間之後出現的。
反彈宇宙模型可以解釋這些CMB模式，並解釋對宇宙起源和演化的標準描述揮之不去的疑問。特別是，宇宙的大爆炸模型始於一個奇點——一個憑空出現的點，包含了宇宙中一切事物的先兆，位於一個非常小的區域，以至於它實際上沒有大小。這個想法是，宇宙從奇點中生長出來，並在膨脹之後，穩定為我們今天看到的更緩慢膨脹的宇宙。但是，奇點是有問題的，因為當一切都擠在一個無限小的點中時，物理學，甚至數學本身，都變得沒有意義。許多物理學家更喜歡避免奇點。
一種避免奇點並使CMB異常現象不那麼異常的反彈模型被稱為環量子宇宙學（LQC）。它依賴於經典物理學和量子力學之間的一種橋樑，稱為環量子引力，後者假設引力在非常小的距離處逐漸消失，而不是無限增加。“受環量子引力啟發的宇宙學模型可以解決一些問題，”日內瓦大學宇宙學家露絲·杜勒說，“特別是奇點問題。”杜勒是關於反彈宇宙的兩項新研究之一的合著者。在其中，她和她的同事尋找了這種模型的天文跡象。
在LQC模型中，我們宇宙的前身可能在引力的作用下收縮，直到變得非常緊湊。最終，量子力學將接管。宇宙不會坍縮成奇點，而是會再次開始膨脹，甚至可能經歷一個膨脹階段，正如許多宇宙學家認為我們的宇宙所經歷的那樣。
路易斯安那州立大學物理學家伊萬·阿古洛說，如果這種情況發生，它應該在宇宙中留下痕跡。阿古洛沒有參與最近的任何一項分析，他提出，這個痕跡會出現在CMB資料中稱為“雙譜”的特徵中，雙譜衡量的是宇宙的不同部分在反彈情景中將如何相互作用。雙譜在CMB影像中不會很明顯，但它會出現在對古代CMB微波頻率的分析中。
阿古洛說，“如果被觀察到”，雙譜“將成為宇宙反彈而非大爆炸存在的確鑿證據”。阿古洛的團隊之前計算了雙譜在宇宙反彈後不久可能出現的樣子。杜勒和她的同事進一步進行了計算，但是當他們將其與當前的普朗克CMB資料進行比較時，沒有發現雙譜印記的明顯跡象。
儘管許多其他反彈宇宙模型可能仍然可行，但未能找到明顯的雙譜意味著，依賴LQC來處理CMB異常的模型可以被排除。這對阿古洛來說是一個令人沮喪的結果，他曾對找到反彈宇宙的具體證據抱有很高的期望。然而，他仍然認為許多反彈宇宙模型是可行的。波蘭亞捷隆大學宇宙學博士候選人保拉·德爾加多參與了杜勒合著的新分析，她說，這有一個潛在的好處。“我長期以來都聽說[將量子物理學和宇宙學結合起來的嘗試]無法被檢驗，”德爾加多說。“我認為很高興看到，對於某些型別的模型，你仍然可以與觀測結果聯絡起來。”
在普朗克資料中排除LQC驅動的宇宙反彈跡象意味著CMB異常現象仍然無法解釋。但是，一個更大的宇宙問題仍然存在：宇宙是否真的有一個開端？就大爆炸的擁護者而言，宇宙確實有一個開端。但這給我們留下了一個神秘莫測的奇點，它啟動了一切。
或者，根據所謂的迴圈宇宙學理論，宇宙是不朽的，並且正在經歷無休止的反彈。雖然反彈宇宙可能經歷一個或多個迴圈，但真正的迴圈宇宙沒有開始也沒有結束。它由一系列反彈組成，這些反彈可以追溯到無限數量的迴圈，並將繼續無限次地進行下去。而且，由於這樣的宇宙沒有開端，因此沒有大爆炸，也沒有奇點。
杜勒和德爾加多合著的這項研究並沒有排除不朽的迴圈宇宙學。許多理論以難以或不可能透過觀察普朗克CMB資料來區分“大爆炸加膨脹”模型的方式描述了這種反彈宇宙。
但是，布法羅大學物理學家威廉·金尼說，在永恆迴圈宇宙的觀點中潛藏著一個關鍵缺陷，他是第二項最新分析的合著者。這個缺陷是熵，它隨著宇宙的反彈而累積。熵通常被認為是系統中無序的程度，它與系統的可用能量有關：熵越高，可用能量越少。如果宇宙在每次反彈中熵和無序度都增加，那麼每次可用的可用能量就會減少。在這種情況下，宇宙在早期應該有更多的可用能量。如果你向後推算足夠遠，那意味著即使對於隨後經歷迴圈反彈的宇宙來說，也存在一個類似大爆炸的開端，其熵值無限小。（如果你想知道這種情況如何不違反能量守恆定律，我們談論的是可用能量。雖然宇宙中的總能量保持不變，但可以做有用功的能量隨著熵的增加而減少。）
金尼說，新的迴圈模型透過要求宇宙在每個迴圈中大幅膨脹來規避這個問題。膨脹使宇宙得以平滑，在再次坍縮之前消散熵。儘管這種解釋解決了熵問題，但金尼和他在布法羅大學的合著者尼娜·斯坦在他們最近的論文中計算出，這個解決方案本身確保了宇宙不是不朽的。金尼說：“我覺得我們已經證明了關於宇宙的一些基本的東西，那就是它可能有一個開端。” 這意味著大爆炸在某個時候發生過，即使那個事件發生在許多反彈宇宙之前，這也反過來表明，需要一個奇點才能使一切開始運轉。
金尼的論文是關於迴圈宇宙辯論的最新進展，但無始無終宇宙的擁護者尚未在科學文獻中做出回應。迴圈宇宙的兩位主要支持者，普林斯頓大學的天體物理學家保羅·斯坦哈特和紐約大學的安娜·伊賈斯，拒絕就本文發表評論。如果辯論的歷史有任何指示，那麼我們可能很快就會聽到一種反駁金尼分析的變通方法。
一些物理學家說，普朗克資料僅排除了環量子宇宙學模型下的反彈，該模型可以透過雙譜來解釋CMB異常，而不是其他使用不同機制來解決異常的LQC反彈模型。巴西物理研究中心的宇宙學家納爾遜·平託-內託研究過反彈和其他迴圈模型，他同意，解釋CMB異常現象的LQC反彈現在可能已被排除，但他對迴圈宇宙的問題更為樂觀。納爾遜說：“存在是一個事實。我們現在都在這裡。不存在是人類思想的抽象。“這就是我認為[迴圈宇宙]（一直存在）比被創造出來的宇宙更簡單的原因。然而，作為一名科學家，我必須對這兩種可能性持開放態度。”
編者注（2023年6月29日）：本文在釋出後進行了編輯，以更好地闡明科學家們對解釋宇宙微波背景的環量子宇宙學反彈宇宙模型的看法。文字此前於6月1日進行了修訂，以更好地闡明伊萬·阿古洛關於反彈宇宙模型的立場。