詹姆斯韋伯望遠鏡：能證明諾獎得主彭羅斯的循環宇宙理論真假嗎？

2020-10-13 星辰大海路上的種花家

10月6日，天文界出了一件大事，諾獎得主羅傑·彭羅斯在《皇家天文學會月刊》發表了一篇重磅級論文《Apparent evidence for Hawking points in the CMB Sky》（微波輻射中存在霍金點的明顯證據）！也許很多朋友看這標題都有點懵，這說的啥啊？

霍金點是黑洞蒸發後留下的痕跡，彭羅斯認為在宇宙微波背景輻射上觀測到了霍金點，這是上一個宇宙的超級黑洞蒸發後留在微波背景輻射上的證據，也就是說，彭羅斯拋出了一個震蕩天文界的答案：宇宙未來的結局將是循環宇宙！

宇宙到底是個什麼結局？彭羅斯的循環宇宙是啥意思？

到現在為止，宇宙誕生的大爆炸理論在科學界取得共識的比例還是極高的，畢竟現在觀測到的大部分現象都能和大爆炸理論相互印證！但科學界對宇宙未來的命運卻撲朔迷離，因為遺留了太多的謎團需要解決！

宇宙有幾個可能的結局？

儘管愛因斯坦折騰出了引力場公式，而且他也發現宇宙似乎並不是穩恆態的，但他還是沒有勇氣打破這個固有的認識，使得弗裡德曼和勒梅特拔得了頭籌，勒梅特提出了原生原子說，哈勃則在觀測上證明了它，此後的科學家在理論和觀測中分別證明大爆炸的餘暉：微波背景輻射後大爆炸原初物質合成比例，觀測與計算印證都非常精準！所以宇宙必定是動態的！

與宇宙命運相關的幾個參數

弗裡德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規揭示了宇宙可能可能的幾種發展方向，但不太容易理解，好在1967年愛德華·哈裡森這位好人為大家整理了與弗裡德曼度規相關的幾種宇宙可能！一張表格，一目了然！

宇宙的幾種可能

上圖是關乎宇宙命運的空間曲率K和宇宙學常數Λ這兩個參數結合，產生的各個可能的取值，沒有靜態宇宙！但命運卻各不相同，至少我們知道宇宙坍縮的可能性很低，大多數情況下都是膨脹的！但這個決定命運的K和Λ如何來確定呢？

天文學家通過哈勃常數H和宇宙質量密度ρ以及普朗克衛星的觀測得到一個臨界密度，和現代宇宙的密度對比，發現兩者幾乎幾乎一致，也就是說宇宙差不多就是平坦的，而且在微波背景輻射的觀測上也指向了一點，宇宙可能不是封閉的！

當然到此時仍然有幾種可能，如果宇宙是封閉的，那麼在引力主導下可能會重新回到大坍縮，如果是開放的話，那麼可能會繼續膨脹，最不可能的就是加速膨脹將宇宙撕裂！

但在1998年的大發現則讓科學界有點懵，因為兩個科學團隊都觀測到一個驚人的事實，遙遠的星系正在加速離去，而根據距離計算，宇宙大約在距今45億年前，宇宙膨脹到現代宇宙的73%大小時，傳說中的真空能產生的排斥力佔據了主導，宇宙開始加速膨脹。也就是說宇宙將會走向此前最不願意面對的結果：加速膨脹！

彭羅斯的循環宇宙是啥意思？

其實彭羅斯早在2010年就推出了這個理論，他並不太認同當前科學界普遍支持的能解釋現代宇宙的暴漲說，這是麻省理工的阿蘭古斯在80年代提出的，而是比較傾向於大坍縮，而且這個坍縮曾經不止一次的發生，宇宙一直處在循環中，而且我們的宇宙也不知道是宇宙的第幾次循環！

霍金在時間簡史中就曾提出平行宇宙的一種可能，就是時間軸上的平行宇宙，時間沒有起點，它一直在發生，宇宙正是沿著這條時間軸反覆爆炸-誕生宇宙-坍縮-再爆炸等，這些宇宙無窮無盡，但並不能相互往來！

霍金在1974年提出黑洞蒸發理論後，彭羅斯將其應用到了宇宙微波背景輻射觀測上，因為黑洞蒸發時間極其久遠，甚至在你能想像出的時間以外，因此上一個宇宙最後消失的就是黑洞，它的蒸發會在下一個宇宙爆炸時的餘暉上留下痕跡！

彭羅斯認為微波背景輻射上留下了數個可能的霍金點，因此這將支持他提出的循環宇宙理論！在獲得諾獎的當天發表了這篇論文是相當有深意的，這個推廣效應相當大，不過可能在科學界獲得支持並不多。

2021年詹姆斯韋伯望遠鏡發射，也許將揭開宇宙的謎團

據NASA最新消息，詹姆斯韋伯望遠鏡已經通過了測試，預計將在2021年10月份發射！可能大家已經對這個望遠鏡都快要失去信心了，確實，它無數次跳票，原計劃是在2007年發射代替修修補補仍然在使用的哈勃望遠鏡，而在2011年7月21日，「亞特蘭提斯號」最後一次任務返回後退出現役，哈勃再也無法維修，已經風雨飄渺！

哈勃的光學結構

哈勃望遠鏡是光學波段的RC結構望遠鏡，而隨著人類對宇宙邊緣認識的提升，迫切需要一種能在金紅外波段的大口徑光學望遠鏡來代替哈勃，因為隨著宇宙的膨脹，更加遙遠的星系輻射的光被紅移到了近紅外波段！

詹姆斯韋伯望遠鏡

哈勃最遠能觀測到宇宙誕生後大約4億年形成的星系，而詹姆斯韋伯至少也可以觀測到宇宙誕生後2億年時的星系，甚至可能還會更遠，直達大爆炸的餘暉宇宙微波背景輻射的紅外段！

詹姆斯韋伯的光學數據

哈勃望遠鏡的主鏡大約為2.4米，光學結構為RC，而詹姆斯韋伯望遠鏡的口徑則為6.5米，有18面六邊形的主鏡拼接而成的反射望遠鏡，結構簡單但光學素質極高，而且它運行在太陽和地球之間的第二拉格朗日點，此處在地球遠離太陽的方向，地球對觀測幾乎沒有影響，並且還有一個大型遮陽板將保持它的鏡片和四個科學儀器低於50 K（−220 °C；−370 °F），這讓它的CCD可以工作在極其靈敏的狀態下！

普通人(左)、哈勃太空望遠鏡(中)、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(右)大小對比

詹姆斯韋伯望遠鏡的主要任務是調查大爆炸理論的殘餘紅外線證據（宇宙微波背景輻射），即觀測今天可見宇宙的初期狀態。

觀測距離的對比

也許它將證明羅傑·彭羅斯循環宇宙的可能是否存在！

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    這是廣義相對論的普遍、對條件不敏感的推論，可以稱為彭羅斯的黑洞奇點定理。彭羅斯用了拓撲學方法，開啟了廣義相對論中的整體分析。 這個1964年獨立完成、1965年發表的開創性證明是彭羅斯獲得今年諾獎的理由。 當時彭羅斯是倫敦大學伯貝克學院的 reader（相當於美國的某些教授職位）。
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    他們二人獲得1988年沃爾夫物理學獎，也是因為共同研究並提出的彭羅斯-霍金奇點理論。「彭羅斯的獲獎說明諾獎對理論性強的工作態度更友好了。彭羅斯是傑出的理論家，但是這個與諾獎傳統風格不一致，更適合突破獎。彭羅斯是證明了一個定理，不是一個具體的問題，按照諾獎傳統，很難得諾獎。」