我们生活在一个了解宇宙的黄金时代。我们最强大的望远镜揭示了宇宙在最大的可见尺度上是惊人的简单。同样地，我们最强大的“显微镜”——大型强子对撞机，也没有发现在最小的尺度上与已知物理的偏差。

这些发现并不是大多数理论家所期望的。如今，占主导地位的理论方法结合了弦理论（弦理论是一个强大的数学框架，但迄今还没有成功的物理预测）和“宇宙膨胀”（宇宙膨胀是指宇宙在非常早期的阶段急剧膨胀）。弦理论和暴胀相结合，预测宇宙在小尺度上是极其复杂的，在大尺度上是完全混乱的。

预期的复杂性的本质可以采取令人眼花缭乱的各种形式。在此基础上，尽管缺乏观测证据，许多理论家仍提出了“多元宇宙”的观点：一个由许多宇宙组成的不受控制和不可预测的宇宙，每个宇宙都有完全不同的物理性质和规律。

这篇文章是危机中的宇宙学系列的一部分？这本书揭示了当今宇宙学家面临的最大问题，并讨论了解决这些问题的意义。

到目前为止，观察结果表明情况恰恰相反。我们该如何解释这种差异呢？一种可能性是，宇宙表面上的简单性仅仅是我们今天所能探测的有限尺度的偶然现象，当观察和实验达到足够小或足够大的尺度时，断言的复杂性将被揭示出来。

另一种可能性是，宇宙确实非常简单，在最大和最小的尺度上都是可预测的。我认为应该更加认真地对待这种可能性。因为，如果这是真的，我们可能比我们想象的更接近于理解宇宙中最基本的谜题。其中一些答案可能已经摆在我们面前。

弦理论和暴涨的问题

目前的正统理论是数千名严肃的理论家几十年努力的结晶。根据弦理论，宇宙的基本组成部分是微小的、振动的环和亚原子弦。根据目前的理解，这个理论只有在存在比我们所经历的三维空间更多的空间维度时才成立。因此，弦理论家认为我们无法探测到它们的原因是它们很小，而且是卷曲的。

不幸的是，这使得弦理论难以测试，因为小维度可以卷曲的方式几乎是难以想象的，每一种方式在剩下的大维度上都给出了一套不同的物理定律。

与此同时，宇宙暴胀是20世纪80年代提出的一种理论，用来解释为什么宇宙在我们所能看到的最大尺度上是如此平滑和平坦。这个理论认为，早期的宇宙很小，而且是块状的，但一次极端的超快速膨胀使它的大小大大膨胀，使它变得平滑和平坦，与我们今天所看到的一致。

暴胀也很受欢迎，因为它可能解释了为什么早期宇宙的能量密度在不同地方略有不同。这一点很重要，因为密度较大的区域后来会在自身引力的作用下坍塌，从而为星系的形成埋下了种子。

在过去的三十年里，通过绘制宇宙微波背景图（大爆炸产生的辐射）和绘制星系的三维分布图，人们对密度变化的测量越来越精确。

在大多数暴胀模型中，早期的极端膨胀爆发使宇宙变得平滑和平坦，也产生了长波引力波——时空结构中的涟漪。如果观测到这样的波，将是一个“确凿的”信号，证实通货膨胀确实发生过。然而，到目前为止，观测还没有发现任何这样的信号。相反，随着实验的稳步改进，越来越多的通货膨胀模型被排除在外。

此外，在膨胀过程中，空间的不同区域会经历非常不同的膨胀量。在非常大的尺度上，这产生了一个后暴胀宇宙的多元宇宙，每个宇宙都有不同的物理性质。

暴胀情景是基于对现有能量形式和初始条件的假设。虽然这些假设解决了一些难题，但也产生了其他难题。弦和暴胀理论家希望，在巨大的暴胀多元宇宙的某个地方，存在着一个时空区域，其属性正好与我们所看到的宇宙相匹配。

然而，即使这是真的（目前还没有发现这样的模型），对理论的公平比较应该包括“奥卡姆因素”，量化奥卡姆剃刀，它惩罚具有许多参数和可能性的理论，而不是更简单、更有预测性的理论。忽略奥卡姆因素就等于假设除了复杂的、不可预测的假设之外没有其他选择——我认为这种说法没有什么根据。

在过去的几十年里，有很多实验和观测的机会来揭示弦理论或暴胀的特定信号。但目前还没有发现。一次又一次，观察结果比预期的更简单、更简单。

我认为，现在是时候承认这些失败并从中吸取教训，开始认真寻找更好的替代方案了。

一个更简单的选择

最近，我的同事莱瑟姆·博伊尔（Latham Boyle）和我试图建立更简单、更可测试的理论，以摆脱暴涨和弦理论。根据观测结果，我们试图用最少的理论假设来解决一些最深奥的宇宙谜题。

我们最初的尝试所取得的成功超出了我们最乐观的希望。时间将证明它们能否经受住进一步的审查。然而，我们已经取得的进展使我相信，除了标准的正统观念之外，很可能还有其他选择，而标准的正统观念已成为我们需要打破的束缚。

我希望我们的经验能鼓励其他人，尤其是年轻的研究人员，在观察结果的简单性的强烈指导下探索新的方法，并对长辈的先入之见持怀疑态度。最终，我们必须向宇宙学习，并使我们的理论适应它，而不是相反。

波义耳和我开始着手解决宇宙学中最大的悖论之一。如果我们按照爱因斯坦的引力理论和已知的物理定律，追溯宇宙膨胀的时间，空间会缩小到一个点，即“初始奇点”。

包括诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）在内的理论家们试图弄清楚这个无限密集、炙热的开端，他们指出，在控制光和无质量粒子的基本定律中存在着一种深度对称性。这种对称被称为“共形”对称，意味着光和无质量粒子都不会在大爆炸时经历空间的收缩。

通过利用这种对称性，人们可以沿着光和粒子一路回到最初。这样做，波义耳和我发现我们可以把最初的奇点描述为一面“镜子”：时间的反射边界（时间在一边向前移动，在另一边向后移动）。

把大爆炸想象成一面镜子，巧妙地解释了宇宙的许多特征，否则这些特征可能与最基本的物理定律相冲突。例如，对于每一个物理过程，量子理论都允许一个“镜像”过程，在这个过程中，空间是颠倒的，时间是颠倒的，每个粒子都被它的反粒子（一种在几乎所有方面都与它相似的粒子，但带相反的电荷）所取代。

根据这种被称为CPT对称的强大对称性，“镜像”过程应该以与原始过程完全相同的速度发生。关于宇宙的一个最基本的谜题是，它似乎（违反CPT对称），因为时间总是向前跑，粒子比反粒子多。

我们的镜像假说恢复了宇宙的对称性。当你照镜子时，你会在镜子后面看到你的镜像：如果你是左撇子，那么这个镜像就是右撇子，反之亦然。你和你的镜像的组合比你一个人更对称。

同样地，当波义耳和我通过大爆炸推断我们的宇宙时，我们发现了它的镜像，一个爆炸前的宇宙，在这个宇宙中（相对于我们来说）时间是倒退的，反粒子的数量超过了粒子。为了使这幅图为真，我们不需要镜像宇宙在经典意义上是真实的（就像你在镜子中的形象不是真实的一样）。量子理论，它统治着原子和粒子的微观世界，挑战着我们的直觉，所以在这一点上，我们能做的最好的事情就是把镜像宇宙想象成一个数学装置，它能确保宇宙的初始条件不违反CPT对称。

令人惊讶的是，这张新图片为未知的宇宙物质暗物质的性质提供了重要线索。中微子非常轻，像幽灵一样的粒子，通常以接近光速的速度运动，并像微小的陀螺一样旋转。如果你用左手拇指指向中微子运动的方向，那么你的四个手指就表示中微子旋转的方向。被观测到的轻中微子被称为“左旋”中微子。

重的“右手”中微子从未被直接观测到，但它们的存在是从观测到的轻的、左手的中微子的性质中推断出来的。稳定的右旋中微子将是暗物质的完美候选者，因为它们不与任何已知的力耦合，除了引力。在我们的研究之前，人们不知道它们是如何在炎热的早期宇宙中产生的。

我们的镜像假说使我们能够准确地计算出有多少会形成，并证明它们可以解释宇宙暗物质。

一个可验证的预测随之而来：如果暗物质是由稳定的右旋中微子组成的，那么我们所知道的三种轻中微子中就有一种是完全没有质量的。值得注意的是，这一预测现在正被大规模星系调查中对物质引力聚集的观测所验证。

宇宙的熵

受到这个结果的鼓舞，我们开始着手解决另一个大难题：为什么宇宙在可见的最大尺度上是如此均匀和空间平坦，而不是弯曲？毕竟，宇宙暴胀假说是理论学家为了解决这个问题而提出的。

熵是一个概念，它量化了物理系统可以排列的不同方式的数量。例如，如果我们把一些空气分子放在一个盒子里，最有可能的构型是那些使熵最大化的构型——分子或多或少平滑地分布在空间中，或多或少平均地分享总能量。这类论证被用在统计物理学中，这个领域是我们理解热、功和热力学的基础。

已故物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）及其合作者将统计物理学推广到万有引力，这是著名的。通过一个优雅的论证，他们计算出了黑洞的温度和熵。利用我们的“镜像”假说，波义耳和我成功地将他们的论证扩展到宇宙学，并计算了整个宇宙的熵。

令我们惊讶的是，拥有最高熵的宇宙（意味着它最有可能，就像盒子里的原子一样）是平坦的，并且以加速的速度膨胀，就像真实的宇宙一样。所以统计学的论点解释了为什么宇宙是平坦光滑的，并且有一个小的正加速膨胀，而不需要宇宙膨胀。

在我们对称的镜像宇宙中，通常归因于暴胀的原始密度变化是如何产生的？最近，我们证明了一种特定类型的量子场（零维场）产生的密度变化类型与我们观察到的完全相同，没有暴胀。重要的是，这些密度变化并没有伴随着暴胀所预测的长波引力波，而这种引力波还没有被观测到。

这些结果非常令人鼓舞。但要证明我们的新理论在数学上是合理的，在物理上是现实的，还需要做更多的工作。

即使我们的新理论失败了，它也给我们上了宝贵的一课。对于宇宙的基本特性，很可能有比标准的正统理论更简单、更有力、更可检验的解释。

面对宇宙学的深奥难题，在观测和探索尚未探索的方向的指导下，我们可能能够为基础物理学和我们对宇宙的理解奠定更可靠的基础。