2013年3月21日，欧洲航天局举行了一次国际新闻发布会，宣布了来自一颗名为普朗克的卫星的新结果。该航天器绘制了宇宙微波背景（CMB）辐射图，这是130多亿年前大爆炸后不久发出的光，其细节比以往任何时候都更详细。科学家告诉在场的记者，新的地图证实了一个宇宙学家珍视了35年的理论：宇宙始于大爆炸，随后是一段被称为膨胀的超加速膨胀时期。这种膨胀使宇宙变得非常平滑，以至于在数十亿年后，它在整个空间和各个方向上仍然几乎是均匀的并且是“平坦”的，而不是像球体那样弯曲，除了物质浓度的微小变化，这些变化解释了我们周围恒星、星系和星系团的精细层次结构。
新闻发布会的主要信息是，普朗克数据完美地符合最简单的膨胀模型的预测，这加强了该理论已牢固确立的印象。该团队暗示，关于宇宙学的书似乎已经盖棺定论。
在公告发布后，我们三人在美国哈佛-史密森天体物理中心讨论了其影响。伊贾斯当时是来自德国的访问研究生；斯坦哈特是三十年前膨胀理论的最初构建者之一，但他后来的工作指出了该理论基础的严重问题，他当时在哈佛度过他的学术休假；勒布是我们的东道主，担任天文系主任。我们都对普朗克团队一丝不苟的精确观测表示赞赏。然而，我们不同意这种解释。如果说有什么不同的话，那就是普朗克数据不支持最简单的膨胀模型，并加剧了该理论长期存在的基础性问题，为考虑关于宇宙起源和演化的竞争性观点提供了新的理由。
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自那以来的几年里，普朗克卫星和其他仪器收集的更精确的数据使情况更加有力。然而，即使现在，宇宙学界也没有对大爆炸膨胀理论进行冷静、诚实的审视，也没有对质疑膨胀是否发生过的批评者给予足够的重视。相反，宇宙学家似乎表面上接受了支持者的断言，即我们必须相信膨胀理论，因为它为宇宙的观测特征提供了唯一简单的解释。但是，正如我们将要解释的那样，普朗克数据，加上理论问题，已经动摇了这一断言的基础。
追随神谕
为了证明膨胀的问题，我们将首先遵循其支持者的旨意：毫无疑问地假设膨胀是真的。让我们想象一下，一位自称的神谕告诉我们，膨胀肯定发生在大爆炸后不久。如果我们接受神谕的说法为事实，那么它究竟会告诉我们关于宇宙演化的什么信息？如果膨胀真的为宇宙提供了一个简单的解释，您会期望神谕的声明告诉我们很多关于普朗克卫星数据中会发生什么的信息。
它会告诉我们的一件事是，在大爆炸后不久的某个时候，必须有一小块空间充满了奇异形式的能量，触发了该区域的快速加速膨胀（“膨胀”）时期。大多数熟悉的能量形式，例如物质和辐射中包含的能量，由于引力自吸引力而抵抗并减缓宇宙的膨胀。膨胀要求宇宙充满高密度的能量，这种能量在引力上自排斥，从而增强膨胀并使其加速。然而，重要的是要注意，这种关键成分，被称为膨胀能量，纯粹是假设性的；我们没有直接证据表明它存在。此外，在过去的35年中，关于膨胀能量可能是什么，已经有数百个提议，每个提议都产生非常不同的膨胀率和非常不同的总拉伸量。因此，很明显，膨胀不是一个精确的理论，而是一个高度灵活的框架，包含许多可能性。
但是，神谕的断言能告诉我们什么对于所有模型都是正确的，而与膨胀能量的具体类型无关呢？首先，根据我们关于量子物理学的基本知识，我们可以肯定，膨胀结束后，整个宇宙的物质温度和密度必然会在不同地点略有不同。亚原子尺度上膨胀能量浓度的随机量子涨落将在膨胀期间被拉伸成宇宙大小的区域，这些区域具有不同数量的膨胀能量。根据该理论，当膨胀能量衰变为普通物质和辐射时，加速膨胀结束。在膨胀能量密度（每立方米空间中的膨胀能量量）略大的地方，加速膨胀将持续稍长的时间，并且当膨胀能量最终衰减时，宇宙的密度和温度将略高。量子诱导的膨胀能量变化将因此被转录为宇宙微波背景光中略微较热和较冷点的模式，这保留了那些时间的记录。在随后的137亿年中，宇宙中微小的密度和温度变化将在引力的影响下凝聚，形成星系和大规模结构的模式。
这是一个良好的开端，尽管有点模糊。我们能否预测整个空间中星系的数目和排列？空间弯曲和扭曲的程度？构成当前宇宙的物质或其他能量形式的量？答案是否定的。膨胀是一个如此灵活的想法，以至于任何结果都是可能的。膨胀是否告诉我们大爆炸为何发生或最初的空间块是如何产生的，最终演变成今天观测到的宇宙？答案再次是否定的。
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图片来源：ESA 和 普朗克合作组织
如果我们知道膨胀是真的，我们也无法预测太多关于普朗克卫星观测到的热点和冷点的信息。普朗克地图和早期对CMB的研究表明，无论您放大多少，热点和冷点的模式几乎都相同，科学家称之为“尺度不变性”的特性。最新的普朗克数据显示，与完美尺度不变性的偏差很小，只有几个百分点，并且所有点的平均温度变化约为0.01%。膨胀的支持者经常强调，有可能产生具有这些特性的模式。然而，这些说法忽略了一个关键点：膨胀允许许多其他不接近尺度不变的热点和冷点模式，并且通常具有远大于观测值的温度变化。换句话说，尺度不变性是可能的，但偏离尺度不变性和介于两者之间的一切也是可能的，这取决于人们假设的膨胀能量密度的细节。因此，普朗克看到的排列不能被视为膨胀的证实。
值得注意的是，如果我们知道膨胀已经发生，那么我们可以相当肯定地在普朗克CMB观测中找到一个特征，因为它在所有最简单的膨胀能量形式中都很常见，包括标准教科书中介绍的那些。在量子涨落产生膨胀能量的随机变化的同时，它们也产生空间的随机扭曲，这些扭曲在膨胀结束后以空间扭曲波的形式在宇宙中传播。这些扰动，被称为引力波，是宇宙微波背景辐射中热点和冷点的另一个来源，尽管它们具有独特的极化效应（也就是说，引力波导致光对其电场具有某种首选方向，具体取决于光是来自热点还是冷点，还是介于两者之间的某个位置）。
不幸的是，寻找膨胀引力波的努力并没有成功。尽管宇宙学家在1992年首次通过COBE（宇宙背景探测器）卫星以及随后的许多实验（包括甚至更新的2015年普朗克卫星结果）观测到热点和冷点，但截至本文撰写之时，他们尚未发现任何来自膨胀的预期宇宙引力波的迹象，尽管他们为此进行了艰苦的搜索。（2014年3月17日，南极BICEP2实验的科学家宣布探测到宇宙引力波，但后来当他们意识到他们实际上观察到的是银河系内尘埃颗粒引起的极化效应时，他们撤回了他们的说法。）请注意，这些预期的宇宙引力波与激光干涉引力波天文台（LIGO）在2015年发现的现代宇宙中黑洞合并产生的引力波无关。
普朗克卫星的结果——CMB中热点和冷点模式中与完美尺度不变性的意外小（几个百分点）偏差，以及未能探测到宇宙引力波——令人震惊。30多年来，最简单的膨胀模型，包括标准教科书中描述的那些模型，首次受到观测的强烈反对。当然，理论家迅速冲去修补膨胀图景，但这以制造神秘的膨胀能量模型和揭示更多问题为代价。
山坡上的滑雪者
为了充分理解普朗克测量的影响，有必要仔细看看膨胀的支持者提出的膨胀模型，包括所有的缺点。
膨胀能量被认为来自一个假设的场，称为暴胀子，类似于电场，它渗透空间并在空间中的每个点都具有强度（或值）。由于暴胀子是假设性的，理论家可以自由地想象暴胀子在引力上是自排斥的，从而导致宇宙的膨胀加速。空间中给定点的暴胀子场强度决定了那里的膨胀能量密度。场强度和能量密度之间的关系可以用图表上的曲线表示，该曲线看起来像一座山[见下方方框]。已提出的数百个膨胀能量模型中的每一个都具有这座山的精确形状，这决定了膨胀结束后宇宙的性质——例如，宇宙是否是平坦而光滑的，并且具有接近尺度不变的温度和密度变化。
自从普朗克数据发布以来，宇宙学家发现自己处于类似于以下情况的情景中：想象一下，您住在一个与世隔绝的小镇，该小镇坐落在群山环绕的山谷中。您在这个镇上见过的唯一的人是居民，直到有一天一个陌生人出现。每个人都想知道陌生人是如何来到你们镇的。您咨询了镇上的八卦（又名当地的神谕），她声称知道她是滑雪来的。相信这个八卦，您认为只有两条山路通往你们的山谷。任何阅读指南的人都会知道第一座山，那里可以使用滑雪缆车轻松到达。那里的所有滑雪道都有稳定的下降；能见度和雪况通常都很好。第二座山完全不同。它没有包含在任何标准的滑雪指南中。难怪！它的顶部以雪崩而闻名。通往你们镇的唯一一条路是具有挑战性的，因为它始于一个平坦的山脊，该山脊突然在一个陡峭的悬崖处结束。此外，没有滑雪缆车。开始滑下这座山的唯一可想象的方法是首先从飞机上跳下来，并使用降落伞降落在山脊上的特定位置（精确到英寸），并以恰到好处的速度着陆；最轻微的错误都会导致滑雪者偏离轨道，朝着遥远的山谷前进，或者将滑雪者困在山顶上；在最坏的情况下，雪崩可能会在滑雪者到达山脊之前开始，因此这个人将无法幸存。如果镇上的八卦是正确的，即陌生人是滑雪来的，那么唯一合理的结论是她是从第一座山下来的。
想象任何人走第二条路都是疯狂的，因为与另一条山路相比，成功到达镇上的机会微乎其微。但是随后您注意到了陌生人的一些事情。她的外套上没有附着滑雪缆车的票。根据这一观察结果以及镇上八卦继续坚持认为陌生人是滑雪来的，您被迫得出奇怪的结论，即陌生人一定是走了第二座山。或者也许她根本没有滑雪进来，您需要质疑镇上八卦的可靠性。
类似地，如果一位自称的神谕告诉我们，宇宙是通过膨胀演化到现在的状态的，我们会期望膨胀能量密度曲线像指南中描述的山一样，因为它具有从上到下简单的形状、最少的调整参数以及开始膨胀所需的最不苛刻的条件。事实上，直到现在，关于膨胀宇宙学的教科书几乎都介绍了这种简单、均匀形状的能量曲线。特别是，沿着这些简单曲线的能量密度随着场强度的变化而稳步增加，因此有可能使暴胀子场的初始值使膨胀能量密度等于一个称为普朗克密度的数字（比今天的密度大10120倍），这是宇宙首次从大爆炸中出现时可用的总能量密度。在这种有利的起始条件下，能量的唯一形式是膨胀，加速膨胀将立即开始。在膨胀期间，暴胀子场的强度将自然地演化，从而使能量密度缓慢而平稳地沿着曲线下降到曲线触底的山谷，这对应于我们今天居住的宇宙。（我们可以将这种进展视为暴胀子场“滑雪”下曲线。）这就是教科书中介绍的经典膨胀故事。
图片来源：棕色小鸟设计
但是普朗克观测告诉我们这个故事不可能是正确的。简单的膨胀曲线产生热点和冷点，其与尺度不变性的偏差大于观测到的偏差，并且引力波强度足以被探测到。如果我们继续坚持认为膨胀发生了，普朗克结果要求暴胀子场“滑雪”下降更复杂的能量密度曲线，其形状像第二座山，即具有高雪崩风险和低平山脊的山，山脊的尽头是一个陡峭的悬崖，通往山谷。这样的能量曲线不是简单的、不断上升的形状，而是会从其最小值陡峭上升（形成悬崖），直到突然在一个能量密度比大爆炸后立即可用的普朗克密度小万亿倍的能量密度处沿高原（形成山脊）变平。在这种情况下，膨胀能量密度将仅占大爆炸后总能量密度的无穷小部分，太小而无法立即引起宇宙膨胀。
由于宇宙没有膨胀，暴胀子场可以从任何初始值开始，并以极快的速度变化，就像从直升机上跳下来的滑雪者一样。然而，只有当暴胀子场最终达到与高原上的点相对应的值，并且暴胀子场变化非常缓慢时，膨胀才能开始。正如从高空坠落的滑雪者很难以正确的速度降落在平坦的山脊上，以便顺利滑雪下山一样，暴胀子场几乎不可能以恰到好处的速度和恰到好处的场值来降低其速度以开始膨胀。更糟糕的是，由于在暴胀子速度减慢的大爆炸后的这段时间里宇宙没有膨胀，宇宙中能量分布的任何初始扭曲或不均匀性都会增加；当它们变得很大时，无论暴胀子如何演化，它们都会阻止膨胀开始，就像雪崩可以阻止滑雪者顺利滑雪下山，无论从直升机到山脊的轨迹多么完美。
换句话说，通过接受神谕的话并坚持认为膨胀发生了，您将被普朗克数据迫使得出奇怪的结论，即膨胀是以高原状能量密度曲线开始的，尽管它存在所有问题。或者也许在这一点上您会质疑神谕的可信度。
“多重混乱”
当然，没有神谕。我们不应该仅仅接受膨胀发生的假设，尤其因为它没有为宇宙的观测特征提供简单的解释。宇宙学家应该通过采用标准的科学程序来评估该理论，即根据我们对宇宙的观测来估计膨胀发生的几率。在这方面，当前数据排除了最简单的膨胀模型，而支持更人为的模型，这无疑是个坏消息。但说实话，最新的观测结果并不是膨胀理论遇到的第一个问题；相反，这些结果已经加剧了既有问题，并为既有问题增添了新的曲折。
例如，我们应该考虑宇宙是否有可能具有任何类型的膨胀能量所需的初始条件。为了使膨胀开始，必须满足两个不可能的标准。首先，在大爆炸后不久，必须有一个空间区域，其中时空的量子涨落已经消失，并且该空间可以用爱因斯坦的经典广义相对论方程很好地描述；其次，该空间区域必须足够平坦，并且能量分布足够平滑，以使膨胀能量能够增长到支配所有其他形式的能量。对刚刚发生大爆炸后找到具有这些特征的区域的概率进行的一些理论估计表明，这比在沙漠中间找到一座配备滑雪缆车和维护良好的滑雪道的雪山还要困难。
更重要的是，如果很容易找到一个从大爆炸中出现的区域，该区域足够平坦和光滑以开始膨胀，那么首先就不需要膨胀。回想一下，引入它的全部动机是为了解释可见宇宙如何具有这些特性；如果开始膨胀需要相同的特性，唯一的区别是需要更小的空间区域，那么这几乎没有进步。
然而，这些问题仅仅是我们问题的开始。膨胀不仅需要难以获得的起始条件，而且一旦开始膨胀，也无法停止膨胀。这个障碍可以追溯到时空的量子涨落。它们导致暴胀子场的强度因地而异，导致空间中的某些点比其他点更早结束膨胀。我们倾向于认为量子涨落是很小的，但早在1983年，包括斯坦哈特在内的理论家就意识到，暴胀子场的大的量子跃迁，虽然罕见，但可能会完全改变膨胀的故事。大的跃迁可以增加暴胀子场的强度，使其值远高于平均值，从而使膨胀持续更长时间。虽然大的跃迁很少见，但经历过大的跃迁的区域与没有经历过大的跃迁的区域相比，体积会大幅膨胀，并迅速占据空间。在瞬间，一个停止膨胀的区域被仍在膨胀的区域包围并相形见绌。然后这个过程重复进行。在大多数膨胀的区域中，暴胀子场的强度将以导致能量密度降低和膨胀结束的方式变化，但罕见的大量子跃迁将使某些地方的膨胀继续进行，并产生更大的膨胀体积。因此，这个过程继续进行，永无止境。
图片来源：弗里斯
通过这种方式，膨胀永恒地持续下去，产生无数个膨胀已经结束的区域，每个区域都创造了一个属于自己的宇宙。只有在这些膨胀已经停止的区域中，空间的膨胀率才足够慢，才能形成星系、恒星、行星和生命。令人担忧的含义是，由于量子涨落的内在随机化效应，每个区域的宇宙学性质都不同。一般来说，大多数宇宙都不会变得无扭曲或平坦；物质的分布不会接近平滑；并且那里的CMB光中的热点和冷点模式不会接近尺度不变。这些区域跨越无限数量的不同可能结果，没有任何一种区域，包括像我们可见宇宙这样的区域，比另一种区域更可能。结果是宇宙学家称之为多元宇宙的东西。由于每个区域都可以具有任何物理上可想象的性质，因此多元宇宙无法解释为什么我们的宇宙具有我们观察到的非常特殊的条件——它们纯粹是我们特定区域的偶然特征。
甚至也许这幅图景也过于乐观。一些科学家对是否有任何空间区域演化成类似于我们可观测宇宙的区域提出异议。相反，永恒膨胀可能会退化为纯粹的量子世界，到处都是不确定和随机的涨落，即使在膨胀结束的地方也是如此。我们想建议用“多重混乱”作为一个更合适的术语来描述永恒膨胀的未解决结果，无论它是由无限多个具有随机分布性质的区域组成，还是由量子混乱组成。从我们的角度来看，哪个描述是正确的无关紧要。无论哪种方式，多重混乱都无法预测我们可观测宇宙的性质是可能的结果。一个好的科学理论应该解释为什么我们观察到的事情会发生，而不是其他事情。多重混乱未能通过这项基本测试。
范式转变
鉴于所有这些问题，膨胀没有发生的可能性值得认真考虑。如果我们退后一步，似乎有两种逻辑可能性。要么宇宙有一个开端，我们通常称之为“大爆炸”，要么没有开端，而所谓的“大爆炸”实际上是“大反弹”，是从先前的宇宙学阶段到当前膨胀阶段的过渡。尽管大多数宇宙学家假设存在大爆炸，但目前没有任何证据——零证据——可以说明137亿年前发生的事件是大爆炸还是大反弹。然而，与大爆炸相反，反弹不需要随后的膨胀时期来创造一个像我们发现的宇宙一样的宇宙，因此反弹理论代表了与膨胀范式的巨大转变。
反弹可以实现与大爆炸加膨胀相同的目的，因为在反弹之前，长达数十亿年的缓慢收缩跨度可以使宇宙平滑和扁平化。缓慢收缩与快速膨胀具有相同的效果似乎违反直觉，但是有一个简单的论点表明它必须如此。回想一下，如果没有膨胀，一个缓慢膨胀的宇宙会随着时间的推移，由于引力对空间和物质的影响，而变得越来越弯曲、扭曲和不均匀。想象一下观看这个过程的电影倒放：一个大的、高度弯曲、扭曲和不均匀的宇宙逐渐收缩并变得平坦和均匀。也就是说，在缓慢收缩的宇宙中，引力会反向充当平滑剂。
与膨胀的情况一样，量子物理学也修正了反弹理论中简单的平滑故事。量子涨落改变了不同地点的收缩率，因此某些区域比其他区域更早反弹并开始膨胀和冷却。科学家可以构建模型，其中收缩率在反弹后产生温度变化，这与普朗克卫星观测到的热点和冷点模式一致。换句话说，反弹前的收缩可以做到膨胀最初发明时应该做的事情。
与此同时，与膨胀相比，反弹理论具有重要的优势：它们不会产生多重混乱。当收缩阶段开始时，宇宙已经很大并且是经典的（也就是说，用爱因斯坦的广义相对论来描述），并且它会在缩小到量子效应变得重要的尺寸之前反弹。因此，永远不会出现一个阶段，例如大爆炸，即整个宇宙都由量子物理学主导，并且没有必要发明量子到经典的转变。并且由于平滑过程中没有膨胀来导致经历罕见的大量子涨落的区域在体积上爆炸，因此通过收缩进行平滑不会产生多个宇宙。最近的工作已经产生了第一个详细的提案，用于描述宇宙如何从收缩过渡到膨胀，从而能够构建完整的反弹宇宙学。
非经验科学？
鉴于膨胀的问题和反弹宇宙学的可能性，人们会期望今天的科学家之间就如何通过观测来区分这些理论展开激烈的辩论。然而，仍然存在一个障碍：我们目前理解的膨胀宇宙学无法使用科学方法进行评估。正如我们所讨论的，如果我们改变初始条件，改变膨胀能量密度曲线的形状，或者仅仅注意到它导致永恒膨胀和多重混乱，膨胀的预期结果很容易改变。单独地和集体地，这些特征使膨胀如此灵活，以至于任何实验都永远无法证伪它。
一些科学家接受膨胀是无法检验的，但拒绝放弃它。他们提出，相反，科学必须通过抛弃其定义属性之一：经验可检验性来改变。这种观点引发了一场关于科学的本质及其可能的重新定义的过山车式讨论，从而促进了某种非经验科学的想法。
一个常见的误解是，实验可以用来证伪一个理论。在实践中，一个失败的理论会通过尝试修补它而越来越多地免受实验的影响。该理论变得更加高度调整和神秘，以适应新的观测结果，直到它达到一种状态，即其解释力减弱到不再被追求的程度。一个理论的解释力是通过它排除的可能性集合来衡量的。更多的免疫意味着更少的排除和更少的权力。像多重混乱这样的理论不排除任何东西，因此，权力为零。宣布一个空洞的理论为不容置疑的标准观点需要某种科学之外的保证。在没有自称的神谕的情况下，唯一的选择是援引权威。历史告诉我们，这是错误的道路。
今天，我们很幸运能够通过观测对我们提出尖锐的、根本性的问题。我们的主要想法没有奏效这一事实是理论突破的历史性机遇。我们不应该为早期宇宙盖棺定论，而应该认识到宇宙学是广阔的。