早期宇宙的普朗克衛星圖像中出現了一個無法解釋的特徵:在最大尺度上,灰色線右側的天空中的溫度波動比左側更加極端。如果我們的宇宙在其第一秒的快速增長過程中撞上了鄰近的宇宙,那麼碰撞就會留下痕跡。
馬修·班認為他在宇宙黎明最詳細的快照中看到了它。天文學家發布了這張衛星圖像,證實了之前的圖像所顯示的情況:年輕的宇宙有一半比另一半略粗。
克萊班是幾十名理論宇宙學家之一,他們試圖從一條新線索的模糊陰影中拼湊出一個宇宙起源的故事。
紐約大學物理學副教授馬修·克萊班和研究生馬喬裡·席洛討論了如果兩個泡沫宇宙相撞會發生什麼。
「當它們相互撞擊時,就會有一種衝擊波傳播到我們的宇宙中,」紐約大學物理學副教授克萊班說。這樣的衝擊波——如果這是圖片所顯示的——將成為支持多元宇宙假說的證據。多元宇宙假說是一個眾所周知但未經證實的觀點,即我們的宇宙是在更大的真空中冒出來的無限宇宙之一。
大多數宇宙學家很快就承認他們可能在跟蹤一條錯誤的線索。
「這是一場高風險的遊戲,」約翰霍普金斯大學物理學和天文學教授馬克卡米奧科夫斯基說。「我們真的很想更多地了解宇宙的起源,但大自然並沒有給我們留下太多的暗示。」
卡米奧科夫斯基說,這種不對稱「可能只是統計上的僥倖,也可能只是冰山一角。」
只有時間和聰明的測試才能告訴我們答案。
宇宙的不對稱性出現在宇宙微波背景中——宇宙在大爆炸38萬年後變得透明時發出的靜止的餘輝。在此之前,籠罩著宇宙的帶電粒子霧已經冷卻到足以凝結成中性原子,從而使光第一次在太空中暢通無阻地傳播。在過去的三年裡,歐洲航天局的普朗克衛星捕捉到了來自各個方向的5000萬像素的這種光的圖像,每個光子都記錄了130多億年前它起源的溫度。
宇宙學家認為,宇宙大爆炸時的量子漲落在一段稱為膨脹的指數增長時期被拉長,變成了熱點和冷點,成為星系和空洞的種子。宇宙微波背景表明,整個38萬年前的宇宙溫度幾乎是均勻的,與平均水平的偏差僅為萬分之一。它的微「熱」和「冷」點——未來星系和空洞的種子——被認為是源於量子漲落,或能量的隨機波動,這些波動在宇宙第一個瞬間的指數增長中被放大,被稱為膨脹。
宇宙學家想要追溯宇宙膨脹的起因。
缺乏一個理論物理是如何工作的非常熱,小尺度的宇宙存在於新生兒,目前只有一個簡單的「玩具模型」的事件:一個領域滲透的空間轉換到一個不穩定的狀態在大爆炸後約10-36秒,造成空間體積的膨脹10^78倍在膨脹約30秒後。根據這個模型,宇宙應該是均勻拉伸的,在宇宙微波背景下產生均勻隨機的冷熱斑點圖案。但這並不是數據所顯示的。
卡米奧科夫斯基解釋說:「一邊的熱點和冷點比另一邊更熱、更冷。」
威爾金森微波各向異性探測器在2007年首次發現了證據,證明宇宙微波背景的一半區域的溫度波動比另一半區域更為極端,但這可能是一個測量誤差。普朗克圖加強了不對稱性的理由,並在更精細的細節上解決了溫度波動,使物理學家能夠排除一些解釋,並提出其他解釋。
就像美國的地形差異一樣,宇宙中溫度波動的不對稱性在大尺度上是最明顯的。科羅拉多州的一平方英尺土地並不比印第安納州的一平方英尺崎嶇不平,但如果你把它縮小,科羅拉多州的山脈和山谷顯然更高更深。「你可以把天空的一部分想像成印第安納州,另一部分想像成科羅拉多州,」卡米奧科夫斯基團隊的博士後研究員鄭東輝說。「這種變化真的很奇怪。很難想像這是什麼原因造成的。」
一些宇宙學家將其歸因於統計上的僥倖。宇宙誕生時的量子漲落隨機產生觀測到的不對稱性的機率在0.1%到1%之間——大約相當於連續八次拋硬幣得到正面的概率。
加州理工學院的宇宙學家肖恩·卡羅爾說:「如果我打賭,而且賠率是偶數,我打賭這只是一個僥倖。」「但關鍵是,賠率甚至不是錢。如果它能告訴我們一些關於早期宇宙的事情,那將是極其重要的。」
宇宙學家已經提出了幾個相互矛盾的理論來解釋大爆炸期間和之後的事件是如何將這種不對稱現象刻入宇宙的。
很少有人相信玩具模型的膨脹領域可以充分解釋,這可以完全解釋宇宙的起源。相反,這個領域可能是一個額外的,捲曲的空間維度之一,由一個假設的「一切理論」(稱為弦理論)假設,這可能涉及多個通貨膨脹領域。英國蘭卡斯特大學的宇宙學家約翰麥克唐納表明,兩場模型可能導致宇宙微波背景中的不對稱,只要第二個被稱為彎曲的場,在膨脹結束後和暗物質形成後「腐爛」。
另外,正如將發表在《物理評論D》雜誌上的一篇文章所描述的那樣,卡米奧科夫斯基和同事計算出,這種不對稱可能是由於宇宙中某些宇宙學參數的變化造成的。最有希望的模型是,一個參數從宇宙的一邊到另一邊有6%的漂移。該參數可以固定在時空結構中不同缺陷處的不同值上,根據一些理論,這可能是通貨膨脹的催化劑。
2013年3月,普朗克衛星拍攝了一張宇宙中最古老的光的5000萬像素圖像,稱為宇宙微波背景。或者,正如Kleban和他的合作者發表在《物理評論D》上的一篇論文以及即將發表的一篇包含普朗克數據的論文中所指出的那樣,這種不對稱可能是兩個宇宙或宇宙中兩個點猛烈碰撞的結果。在多元宇宙的情況下,氣泡會頻繁地靠近並碰撞。氣泡也可能在繞著一個捲起來的空間維度膨脹時撞到自己(想像一個圓圈在圓柱體表面生長)。這次碰撞可能引發通貨膨脹。
Kleban說,如果能看到這種碰撞產生的衝擊波穿透宇宙微波背景,這對多元宇宙來說將是一個確鑿的證據。但激波的前緣更有可能已經超出了這片可觀測到的宇宙區域的地平線,就像一艘船在夜間駛過,在它的尾流中拖著更溫和的湍流。普朗克圖可能描繪了這樣一條軌跡的伸展殘跡。
這些殘留物「將影響我們所能看到的最大範圍,」Kleban說。隨著宇宙膨脹,它們的規模會增大,其結果與科羅拉多州和印第安納州的地形差異類似。
由於每一個新的膨脹模型都對古代光的偏振方向做出了自己的預測,普朗克小組預計明年將發布一份新的宇宙微波背景的「偏振圖」,這將有助於確定哪一種假說(如果有的話)有望實現。
目前,理論學家必須根據手頭的數據來調整他們的大爆炸理論。「總有一些事情你無法證明,因為我們還沒有技術,」Kleban說。「你只需要做好你的投籃,盡你最大的努力。」