宇宙大爆炸系列[三] 大爆炸有問題 （The problems of the Big Bang theory)
上回提要：早前拙文講述宇宙學家如何透過像宇宙微波背景（cosmic microwave background, CMB）與太初核合成（Big Bang nucleosynthesis）這些觀察證據去推論證明宇宙大爆炸曾經發生。[1] 除了某些耶撚或者地平論死忠外，相信現在已沒甚麼人不信宇宙大爆炸論了。盡管如此，但大爆炸真的是宇宙起源的一切最終答案？它可以如「上帝」般能夠完美解釋所有東西？小弟既然這樣問，答案當然是否啦！（雖然有不少人真的這樣以為，把大爆炸模型看成宇宙學或科學中的「神」，甚至是間接用來證明神存在或聖經創世紀的現代科學版本⋯）大爆炸其實並不是一個完整的終極宇宙模型。它本身有某些問題和缺陷，需要另外附加理論模型去解答，當中有些問題至今甚至還未有答案。今次就等小弟跟大家探討一下大爆炸模型存在著甚麼問題吧！
[一] 大爆炸沒完全解答宇宙起源問題 （Problem 1: How Big Bang begins?）
大爆炸模型是建基於愛因斯坦廣為人知的廣義相對論（general relativity）。可是廣義相對論有其限制，理論本身會在接近奇點（singularity），當重力場龐大的時候失效。在那情況下，重力的量子力學效應開始變得重要，需要用未知的量子重力（quantum gravity）模型去描述。接近大爆炸發生一刻的大爆炸奇點（initial singularity）與黑洞事件視界內最中心的奇點都屬於此情況。所以正如小弟之前強調過很多次，大爆炸不是一完整理論，它不包括宇宙開端（假設有）的描述，是不可以倒帶回推至「起點」的。就如一位小朋友，難道單由他身體不斷長大的過程你便可以得出他出生那刻也是一個「奇點」，是自己無中生有或如孫悟空般由石頭「爆」出來的結論？在尚未有確實證據，學術界未有共識正確描述現實物理世界的量子重力模型是哪一套前，現在根本沒人知道回溯至接近「大爆炸發生一刻」宇宙樣貌是怎樣的。
有些人說『大爆炸發生一刻是由無變有，通過量子起伏的量子力學過程誕生』。這其實最多也只是一個假說，而且理論物理學上亦沒很多量子重力模型支持這種如聖經創世紀般的說法（好像是）。另外雖然已經仙遊的著名理論物理及宇宙學家霍金曾在研究論文同其著作《時間簡史》中說過『時間在大爆炸前不存在，討論大爆炸前宇宙是怎樣就有如討論在地球表面上比北極更北的地方是甚麼，沒任何意義』，但這同樣也只是理論假說，未有實質證據支持#。此外甚至有某些理論物理學家提出循環宇宙假說論（cyclic universe），說宇宙的演化其實是一個循環，宇宙是在經歷永恆不斷持續膨脹->收縮->膨脹->收縮->⋯的循環過程。我們只是剛好身處在膨脹中的過程，因為在膨脹中的階段宇宙會較大機會孕育出生命及恆星[2]。
總括而言你所聽到人們（包括物理學家）談大爆炸怎樣誕生和發生一刻是怎樣的理論全部最多也只是假說，沒人知對或否。而且現時宇宙標準模型中涉及宇宙早期演化還有暴脹論（cosmic inflation）的問題需要解答⋯
#詳細有關霍金這套屬他其中一項學術上傑出成就的歐氏量子重力（Euclidean quantum gravity）假說理論，可以參考小弟早前為悼念這位物理學偉人而寫的拙文[3]。
[二] 視界問題 （Problem 2: cosmic horizon problem）
另一個大爆炸問題是跟現時的觀察證據有關。現時觀察證據顯示，在以星系團或更大的大尺度上，我們觀察到的宇宙在宏觀結構、物質分佈整體上都異常般均勻一致（homogeneous）及各向同性（isotropic），沒一處地方或一個方向是特別與眾不同。當中最有力的證據就是充斥著宇宙空間的宇宙微波背景。
這現象是絕大部分宇宙學模型的前設，源自哥白尼（Nicolaus Copernicus）*日心論背後的中心思想，即我們身處的地方其實很普遍，並不獨特。宇宙學上這前設叫宇宙學原則或哥白尼原則（cosmological principle or Copernican principle）。雖然這前設聽落好像很合理，但如果只考慮大爆炸模型的話，宇宙演化會做成此結果其實甚不自然。要演化出這個結果，宇宙在接近大爆炸發生時不同地方間只可以容許極細微的差異起伏，甚至要精準至小數點後很多很多個位。以相反方向，處於我們可觀察視界（cosmic horizon）盡頭，大爆炸發生一刻後便完全分離沒相互影響的兩個區域為例，見上圖標示的區域A跟B。由於那兩個區域處於各自的視界外，即使一開始差異很少很少也好，經過長時間沒相互影響的局部演化，其內裡物質因應能量分佈差異透過重力塌縮（gravitational collapse）形成結構之後，最終它們的形態、內裡結構也很大機會不大相同。試想想兩個在同一間醫院同時間出世的嬰兒，假設在出世後他們便被分隔開來，其後在完全不同的地方、環境、文化下長大生活，除了出世那一刻外沒給予他們任何時間直接或間接交流。正常推論也不會預期經過很多年後他們會有很多相似的地方。相距巨遠，根據大爆炸模型演化應該沒足夠時間透過相互影響達至熱平衡的宇宙區域為何會如此相似這問題宇宙學叫視界問題（horizon problem）。
*提出日心論，令伽利略後來變成如梁、遊般的「過街老鼠」、「滋事分子」，令他因為挑戰霸權權威（天主教教廷）而不得好死的「幕後黑手」，好像是
[三] 宇宙結構從何來？（Problem 3: What is the origin of the structures in the universe?）
另外大爆炸模型只描述一個均勻或接近均勻的宇宙整體如何演化，沒解釋過宇宙中的結構從何來。那些充斥住現時宇宙中各處地方的星系團、星系及恆星等等正正顯示著宇宙中物質、能量是「不均勻」分佈的直接證據。要形成現時不同類型的結構，宇宙早期不同地方間能量及物質的分佈需要存在著一定但足夠細微的太初差異起伏（primordial fluctuations）。宇宙學家現在已經找到這些差異起伏確實存在於早期宇宙的證據。
由上世紀開始一系列宇宙微波背景觀察實驗包括宇宙背景探測者（COBE）和威爾堅臣微波各向異性探測器（WMAP）在內，宇宙學家發現這些宇宙最古老的光雖然顯示宇宙早期整體分佈非常均勻一致，但當提高解析度再細睇，不同區域間其實還是存在著很細微的差異。最新觀察實驗顯示CMB所對應的黑體輻射溫度整體大概為2.7K，而不同區域間的溫度差異最多也只是這整體溫度的萬分之一。
註：上面的分析熱圖是把差異放大了，並用了不同顏色標示來方便大家理解。
不單如此，而且在不同尺度上看這些細微不均勻的差異大小還接近完全一樣，即接近尺度上不變（scale invariant）。如果這些存在於微波背景輻射的細微太初差異起伏真的自宇宙當初在大爆炸開始時便存在，是「與生俱來」，那為何這些差異在所有尺度上都剛好差不多？除非特別、很精準地設定初始條件，要求能量分佈差異剛好是這樣，否則大爆炸模型自身是沒辦法解釋這些觀察結果的。
總結：大爆炸不是最終答案（Big Bang is not the complete and final story）
除了以上提及到的問題，還有「為何世界（宇宙）是平的？」的平坦性問題（flatness problem）[4] 及奇異遺蹟問題（exotic-relics problem）$也是大爆炸解答不了的。簡單總結一下：要跟現時宇宙的觀察證據吻合，單用大爆炸模型去描述宇宙演化實在需要太多巧合與太多精準度極高的微調才行。而且大爆炸模型亦不是一套完整理論，不能夠描述接近大爆炸剛剛發生那一刻的情況，它只是宇宙一切起源開端的部分答案。
當然你可能會說以上涉及大爆炸初始條件的問題未必是問題，純粹是巧合，但如其相信這不自然需要極高精準微調的解釋，物理學家及宇宙學家寧可去找理論模型附加在大爆炸之上去嘗試解釋。而其中一個學界廣為接受的解釋便是暴脹論，這模型亦是小弟的主要研究課題。至於何謂暴脹論及此模型如何幫助解釋大爆炸的問題下次有機會再詳談，有興趣可先一下[5]。
$又名磁單極子問題（monopole problem），指的是為何現在我們在宇宙中發現不到根據大統一理論（Grand Unified Theory）模型中，隨宇宙膨脹，因為自發對稱破缺（spontaneously symmetry breaking）觸發而形成，如磁單極子、疇壁（domain walls）這些極為穩定的殘骸。
今次說到這裡，下次再談。
[offtopic] 著名武俠小說家金庸剛剛在週二與世長辭， 容許小弟在最後送兩首歌緬懷一下這位武俠小說泰斗 RIP（PS: 其實小弟喜歡古龍多一些）
https://youtube.com/watch?v=nKeDGmCHxSQ&t=4m00s
延伸閱讀：
[1] https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/我們都是大-爆炸-下的產物-677cdea020cd
[2] 《How the Universe Got Its Bounce Back》（英文），Natalie Wolchover著，刊於《Quanta Magazine》2018年1月， https://www.quantamagazine.org/big-bounce-models-reignite-big-bang-debate-20180131/
[3] https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/我見過霍金-我真的見過-淺談霍金學術成就-一-e69dce1b158e
[4] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Flatness_problem
https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/07/09/醒覺吧！世界是平的！wake-up-the-world-is-flat-really/
[6] 《What’s Wrong With the Big Bang Theory》（英文，有中文字幕）by PBS Space Time
《宇宙論與純量場》，吳俊輝著，刊於《物理雙月刊》(廿四卷四期) 2002 年 8 月 http://psroc.org.tw/bimonth/download.php?d=1&cpid=14&did=2
《宇宙是怎麼來的?》，郭兆林著，刊於《數理人文》2015年4月第四期http://yaucenter.nctu.edu.tw/journal/201504/all_download/宇宙是怎麼來的(全文).pdf
《Five Facts About the Big Bang》（英文）Matthew R. Francis著https://www.symmetrymagazine.org/article/five-facts-about-the-big-bang
廣東話原文link：
