撰文 | Ethan Siegel

翻译 | 刘航

图源: geralt/pixabay

回溯20世纪20年代，有两个并行发展的研究为我们对宇宙的现代理解铺平了道路。在理论方面，如果遵循广义相对论，我们能推出一个被物质和能量均匀填充的宇宙，它将不会是静态和稳定的，要么膨胀要么坍缩。在观测方面，我们开始能观测到银河系之外的星系，并可以确定（平均而言）它们离我们越远，相对于我们的远离速度就越快。

简单地将理论与观测结合，膨胀的宇宙的概念诞生了，并与我们相伴至今。我们的宇宙学标准模型——包括宇宙大爆炸、宇宙暴胀、宇宙结构的形成以及暗物质和暗能量——都建立在膨胀的宇宙模型基础之上。

但是，膨胀的宇宙是否是绝对必要的，是否还有其他可能？最近，一篇有趣的新论文^[1]引起了一些关注，理论物理学家卢卡斯·隆布里瑟（Lucas Lombriser）认为，通过对广义相对论的方程进行一些变换，可以使宇宙的膨胀“消失”。在他的设想中，观测到的宇宙膨胀仅仅是一种幻觉。但是，这是否与我们已知的科学相符？

正如“相对”一词所暗示的，如果这些情景彼此之间给出相同的预测，那么其中任何一个都与另一个等效。

相对论中的后一种情景，暗示数学家常用的坐标变换可能给我们带来一些启发。我们可能比较习惯用大约400年前勒内·笛卡尔的方式来考虑坐标：方向/维度彼此垂直，坐标轴具有相同的尺度，即我们都学过的笛卡尔坐标系。

但笛卡尔坐标并不是唯一好用的坐标系。比如，处理具有轴对称性的物体，我们可能更喜欢使用柱坐标；处理关于中心点对称的物体，使用球坐标可能更合理。如果要处理的不只是空间，而是时空——其中“时间”维度在本质上与“空间”维度有着根本不同的行为——那么使用双曲坐标来将空间和时间联系起来会更加方便。

坐标方法的伟大之处在于：它们仅仅是一种选择。只要你不改变系统背后的基本物理原理，你完全可以自由地选择任何你喜欢的坐标系来描述宇宙中的任何事物。

有一种显而易见的方法可以尝试应用于膨胀的宇宙。传统上，我们注意到束缚系统（如原子核、原子、分子、行星，甚至恒星系统和星系）中的距离随时间不变；我们可以将它们作为“标尺”，在任何给定时刻都可以很好地测量距离。当我们将其应用于整个宇宙时，由于我们看到远处（非束缚的）星系相互远离，我们得出结论——宇宙正在膨胀，并试图找到膨胀速率随时间变化的关系。

那么，为什么不逆向思维，将这些坐标重新定义一下：保持宇宙中（非束缚的）星系之间的距离固定，而让我们的“标尺”和其他束缚结构随着时间而缩小呢？

这种选择看起来似乎有些轻率，但在科学中，我们通过改变看待问题的方式，反而能揭示出在原视角中不明显的一些特征，它们可能在新视角中变得清晰起来。重新定义坐标的方法让我们充满期待——这正是隆布里瑟在他的新论文中所探讨的。采用这种逆向的视角，对于那些最大的谜题，我们将会得出什么样的结论呢？

与传统的宇宙学观点不同，我们可以将宇宙重新构建为静态且非膨胀的，相应的代价是：质量、长度和时间尺度，都会发生改变和演化。因为我们的目标是保持宇宙的结构恒定，所以不能有膨胀、弯曲的空间（其中含有不断增长的密度不均匀性），因此这些演化效应需要对应到其他地方。质量尺度将不得不随时空的演化而演变，距离尺度和时间尺度也将如此。它们必须以精确的方式共同演化，以便在将其结合起来描述宇宙时，它们能构成标准解释的“逆”。

还有一种方法是同时保持宇宙的结构恒定，以及质量尺度、长度尺度和时间尺度，但代价是宇宙的基本常数以某种方式共同演化，这样才能将宇宙的所有动态都“编码”在它们之上。

你可能会试图反对上述两种表述，因为我们的传统观点更符合直觉。但正如我们之前提到的，如果数学是相同的，且任何观点的预测之间没有可观测的差异，那么尝试将它们应用于宇宙时，它们都具有相同的有效性。

在实验室，我们唯一可以进行的观测是：测量接收到的光子的观测波长，并将其与实验室光子的波长进行比较。这个过程中有可能发生电子质量的演变，普朗克常数 (ℏ) 的演变，以及（无量纲的）精细结构常数（或其他常数的组合）的演变。我们测量的远处光子的红移，可能是由于多种不同因素导致的，而这些因素之间无法区分。值得注意的是，适当地扩展，这些多重的因素也将会给引力波带来相同类型的红移。

与其追踪宇宙过密区域的演化（某种意义上追踪密度场的演化），我们也可以考虑替换为质量尺度、距离尺度和时间尺度的组合演化。类似地，也可以选择考虑普朗克常数、光速和引力常数的演化。我们所看到的“不断增长的宇宙结构”可能不是宇宙的增长结果，而是这些参数在根本上随着时间发生变化，使得可观测量（如结构和其观测尺寸）保持不变。

如果采取这种方法，无论看起来多么不自然，我们都可以尝试重新解释我们的宇宙中一些目前无法解释的特征。例如“宇宙常数”的问题，由于某种原因，宇宙似乎给空间充满了固有的恒定能量密度的场：这种能量密度不会随着宇宙膨胀而稀释或改变。这个问题在很久以前并不重要，但现在很重要，因为物质密度已经稀释到某个临界阈值以下。我们不知道为什么空间具有这种非零能量密度，也不知道为什么它呈现出与我们观测到的暗能量一致的值。在标准图像中，这是一个无法解释的谜团。

然而，在这种重新构造的方法中，如果质量尺度和距离尺度按照新的构造进行变化，宇宙常数的值与普朗克长度的平方的倒数之间存在关系。并且，普朗克长度随着宇宙的演化而变化，它的演化是从观察者的角度：我们现在观察到的值正是这一时刻的观测值。如果时间、质量和长度都共同演化，那么宇宙学中所谓的“巧合问题”就被消除了。任何观察者会观察到他们“当下”的有效宇宙常数，这是重要的，因为他们的“现在”这个时刻正随着宇宙时间不断演化。

在这种情况下，他们可以将暗物质重新解释为粒子质量在早期以收敛方式增加的几何效应。他们也可以将暗能量重新解释为粒子质量在晚期以发散方式增加的几何效应。令人兴奋的是，重新解释暗物质的不同方法——其中宇宙膨胀被重新解释为，轴子标量场（作为已知暗物质候选粒子）与场相互作用的结果。轴子标量场与其他场的耦合引入了 CP 破坏——这是在我们的宇宙中产生物质-反物质不对称性的关键要素之一。

用这种方式思考问题会带来许多有趣的潜在结论，在早期的“沙盒”阶段，我们不应该阻止任何人进行这种类型的数学探索。有朝一日，这样的想法可能成为超越目前公认的宇宙学标准模型的理论基础的一部分。

然而，即使这在纯广义相对论视角下是有趣的，大多数现代宇宙学家也不会费心考虑这些问题。因为就算是去实验观察并证明这些重新构造在宇宙尺度是可以接受的，它也与我们在地球上已经观察到的东西完全矛盾。

例如，考虑以下观点：

按照标准观点研究宇宙的一个显著特征是：贯穿整个宇宙的历史，所有在地球上适用的物理定律同样适用于宇宙中的任何位置和时刻。一个在地球上失败的宇宙学观点，远不如一个在所有物理系统都能成功适用的观点有趣。传统的膨胀的宇宙观点与地球上的物理学相符，而另一个替代观点在描述更大的宇宙时表现良好但在地球上失败，那么我们并不能说膨胀的宇宙是一个幻觉。毕竟，地球上的物理学对我们来说是最真实、能进行最精确测量和严格检验的锚点。

这并不是说发表这种推测探索性研究的期刊——比如《经典和量子引力》（Classical and Quantum Gravity）、《高能物理学杂志》（Journal of High Energy Physics）或《宇宙学与宇宙粒子物理学杂志》（Journal of High Energy Physics）等——不具有声誉和高质量；实际上它们是非常有声望的。它们是特定领域的专业期刊——比起对实验的分析和理解，它们对（宇宙）早期的理论探索更感兴趣。无论如何，请继续探索标准宇宙学（和粒子物理学）的现实替代方案。但不要假装抛弃所有的现实是一个可行的选择。在这里，唯一的“幻觉”是我们观察到、测量到的现实，在理解我们的宇宙时，这是非常重要的。

[1] Lucas Lombriser 2023 Class. Quantum Grav. 40 155005, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/acdb41

[2] Phys. Rev. Lett. 130, 071801 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.071801