宇宙是如何开始的？我们起源于大爆炸，还是宇宙反弹？宇宙是否可能在一个膨胀和坍缩的循环中演变，永恒地重复？现在，在两篇论文中，研究人员对所谓的反弹宇宙的不同模型提出了质疑，表明我们周围看到的宇宙可能是一次性的事件。
反弹宇宙的支持者认为，我们的宇宙并非凭空产生。相反，拥护者声称，先前的宇宙自身收缩，然后重新生长成我们现在所居住的宇宙。这可能发生过一次，或者根据某些理论，无限次。
那么哪种情景是正确的呢？关于宇宙历史最广为接受的解释是，宇宙始于大爆炸，随后是被称为宇宙膨胀的快速膨胀时期。根据该模型，宇宙早期高温高热时期遗留下来的余辉，称为宇宙微波背景（CMB），无论你朝向哪个方向看，都应该看起来大致相同。但是，普朗克空间天文台在2009年至2013年间绘制的CMB数据显示，微波辐射存在意外的变化。这些变化可能是宇宙温度中无意义的统计波动，也可能是一些有趣现象的迹象。
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一种可能性是，CMB异常现象暗示宇宙并非凭空产生。相反，它是在先前的宇宙坍缩并反弹以创造我们今天所居住的空间和时间之后出现的。
反弹宇宙模型可以解释这些CMB模式，并解释对宇宙起源和演化的标准描述挥之不去的疑问。特别是，宇宙的大爆炸模型始于一个奇点——一个凭空出现的点，包含了宇宙中一切事物的先兆，位于一个非常小的区域，以至于它实际上没有大小。这个想法是，宇宙从奇点中生长出来，并在膨胀之后，稳定为我们今天看到的更缓慢膨胀的宇宙。但是，奇点是有问题的，因为当一切都挤在一个无限小的点中时，物理学，甚至数学本身，都变得没有意义。许多物理学家更喜欢避免奇点。
一种避免奇点并使CMB异常现象不那么异常的反弹模型被称为环量子宇宙学（LQC）。它依赖于经典物理学和量子力学之间的一种桥梁，称为环量子引力，后者假设引力在非常小的距离处逐渐消失，而不是无限增加。“受环量子引力启发的宇宙学模型可以解决一些问题，”日内瓦大学宇宙学家露丝·杜勒说，“特别是奇点问题。”杜勒是关于反弹宇宙的两项新研究之一的合著者。在其中，她和她的同事寻找了这种模型的天文迹象。
在LQC模型中，我们宇宙的前身可能在引力的作用下收缩，直到变得非常紧凑。最终，量子力学将接管。宇宙不会坍缩成奇点，而是会再次开始膨胀，甚至可能经历一个膨胀阶段，正如许多宇宙学家认为我们的宇宙所经历的那样。
路易斯安那州立大学物理学家伊万·阿古洛说，如果这种情况发生，它应该在宇宙中留下痕迹。阿古洛没有参与最近的任何一项分析，他提出，这个痕迹会出现在CMB数据中称为“双谱”的特征中，双谱衡量的是宇宙的不同部分在反弹情景中将如何相互作用。双谱在CMB图像中不会很明显，但它会出现在对古代CMB微波频率的分析中。
阿古洛说，“如果被观察到”，双谱“将成为宇宙反弹而非大爆炸存在的确凿证据”。阿古洛的团队之前计算了双谱在宇宙反弹后不久可能出现的样子。杜勒和她的同事进一步进行了计算，但是当他们将其与当前的普朗克CMB数据进行比较时，没有发现双谱印记的明显迹象。
尽管许多其他反弹宇宙模型可能仍然可行，但未能找到明显的双谱意味着，依赖LQC来处理CMB异常的模型可以被排除。这对阿古洛来说是一个令人沮丧的结果，他曾对找到反弹宇宙的具体证据抱有很高的期望。然而，他仍然认为许多反弹宇宙模型是可行的。波兰亚捷隆大学宇宙学博士候选人保拉·德尔加多参与了杜勒合著的新分析，她说，这有一个潜在的好处。“我长期以来都听说[将量子物理学和宇宙学结合起来的尝试]无法被检验，”德尔加多说。“我认为很高兴看到，对于某些类型的模型，你仍然可以与观测结果联系起来。”
在普朗克数据中排除LQC驱动的宇宙反弹迹象意味着CMB异常现象仍然无法解释。但是，一个更大的宇宙问题仍然存在：宇宙是否真的有一个开端？就大爆炸的拥护者而言，宇宙确实有一个开端。但这给我们留下了一个神秘莫测的奇点，它启动了一切。
或者，根据所谓的循环宇宙学理论，宇宙是不朽的，并且正在经历无休止的反弹。虽然反弹宇宙可能经历一个或多个循环，但真正的循环宇宙没有开始也没有结束。它由一系列反弹组成，这些反弹可以追溯到无限数量的循环，并将继续无限次地进行下去。而且，由于这样的宇宙没有开端，因此没有大爆炸，也没有奇点。
杜勒和德尔加多合著的这项研究并没有排除不朽的循环宇宙学。许多理论以难以或不可能通过观察普朗克CMB数据来区分“大爆炸加膨胀”模型的方式描述了这种反弹宇宙。
但是，布法罗大学物理学家威廉·金尼说，在永恒循环宇宙的观点中潜藏着一个关键缺陷，他是第二项最新分析的合著者。这个缺陷是熵，它随着宇宙的反弹而累积。熵通常被认为是系统中无序的程度，它与系统的可用能量有关：熵越高，可用能量越少。如果宇宙在每次反弹中熵和无序度都增加，那么每次可用的可用能量就会减少。在这种情况下，宇宙在早期应该有更多的可用能量。如果你向后推算足够远，那意味着即使对于随后经历循环反弹的宇宙来说，也存在一个类似大爆炸的开端，其熵值无限小。（如果你想知道这种情况如何不违反能量守恒定律，我们谈论的是可用能量。虽然宇宙中的总能量保持不变，但可以做有用功的能量随着熵的增加而减少。）
金尼说，新的循环模型通过要求宇宙在每个循环中大幅膨胀来规避这个问题。膨胀使宇宙得以平滑，在再次坍缩之前消散熵。尽管这种解释解决了熵问题，但金尼和他在布法罗大学的合著者尼娜·斯坦在他们最近的论文中计算出，这个解决方案本身确保了宇宙不是不朽的。金尼说：“我觉得我们已经证明了关于宇宙的一些基本的东西，那就是它可能有一个开端。” 这意味着大爆炸在某个时候发生过，即使那个事件发生在许多反弹宇宙之前，这也反过来表明，需要一个奇点才能使一切开始运转。
金尼的论文是关于循环宇宙辩论的最新进展，但无始无终宇宙的拥护者尚未在科学文献中做出回应。循环宇宙的两位主要支持者，普林斯顿大学的天体物理学家保罗·斯坦哈特和纽约大学的安娜·伊贾斯，拒绝就本文发表评论。如果辩论的历史有任何指示，那么我们可能很快就会听到一种反驳金尼分析的变通方法。
一些物理学家说，普朗克数据仅排除了环量子宇宙学模型下的反弹，该模型可以通过双谱来解释CMB异常，而不是其他使用不同机制来解决异常的LQC反弹模型。巴西物理研究中心的宇宙学家纳尔逊·平托-内托研究过反弹和其他循环模型，他同意，解释CMB异常现象的LQC反弹现在可能已被排除，但他对循环宇宙的问题更为乐观。纳尔逊说：“存在是一个事实。我们现在都在这里。不存在是人类思想的抽象。“这就是我认为[循环宇宙]（一直存在）比被创造出来的宇宙更简单的原因。然而，作为一名科学家，我必须对这两种可能性持开放态度。”
编者注（2023年6月29日）：本文在发布后进行了编辑，以更好地阐明科学家们对解释宇宙微波背景的环量子宇宙学反弹宇宙模型的看法。文本此前于6月1日进行了修订，以更好地阐明伊万·阿古洛关于反弹宇宙模型的立场。