观测的意义

我现在要谈的问题是，我们是否能找到任何具体的证据来证明或否定CCC的有效性。也许大家以为，任何有关存在于我们大爆炸之前的假想“世代”的证据都必然超出任何观测能力，因为大爆炸生成的绝对高温会销毁一切信息，从而将我们与那假想前世的活动分隔开来。不过我们应该记住，大爆炸里一定会出现一个极端的组织，表现为第二定律的直接结果，而我们本书的论证表明，这个“组织”具有容许我们的大爆炸向以前世代共形延伸的特征，而那延伸由非常具体的确定性演化所决定。于是，我们可以希望，也许在一定意义上我们真的能“看到”从前的世代！

我们必须问自己，之前的那个世代的遥远未来，有哪些特别的特征是我们能够看到的？如果CCC是对的，那么可以确定一点，即我们自己世代的整体空间几何必须契合前一个世代。假如前一个世代是空间有限的，那么我们自己的世代也应该如此。假如前一个世代在大尺度上服从欧几里得3维空间几何（K=0），那么它也一定适合我们的世代。假如它有一个双曲型的空间几何（K＜0），那么我们的世代也是双曲的。之所以如此，是因为空间几何在总体上取决于3维界面，即它所界定的两个世代的共有3维曲面。当然，这没有提出什么有观测价值的新东西，因为我们没有独立的关于前一世代的整个空间几何的信息。

然而，在略小的尺度上，物质分布可能会根据一些也许复杂——但原则上可以理解——的动力学过程，在每个世代中重新调整自己。这些物质分布的最终行为表现为无质量辐射的形式（根据3.2节CCC的要求），因而会在3维界面留下印迹，然后显现为CMB的一些微妙然而也许可以判读的不规则性。我们的任务就是要判断在前一世代的历史中，这方面的什么过程是最重要的，而且还要解读藏在CMB中的微弱不规则信号。

为解释这类信号，需要很好理解可能导致它们的现象。为此，我们要认真考察前一世代的动力学过程，还要弄清事物如何从一个世代传到下一个世代。然而，为了给前一世代的本性确定一个清晰而合理的结论，我们也许需要假定它（一般说来）在本质上就像我们的世代。于是可以认为，前一世代的表现几乎跟我们看到的发生在我们宇宙周围的事情一样，而且沿着我们预期的一般方式向未来演化。

最显著的是，我们可以预期在前一世代的遥远未来存在指数式的膨胀，这里我们假定了正宇宙学常数主导着那个世代在遥远未来的行为，正如我们世代的情形一样（只要认为Λ是常数）。前一世代的指数式膨胀与人们喜欢的宇宙极早期图景中的暴胀相有着诱人的相似性，尽管时下的传统图景的指数膨胀发生在我们自己的世代，在紧跟大爆炸之后的10-36到10-32秒之间（见2.1节和2.6节）。另一方面，CCC却把那个“暴胀相”放在大爆炸之前，将它等同于前一世代的遥远未来的指数式膨胀。实际上，正如3.3节说的，维尼奇亚诺在1998年提出过具有这种性质的思想，[3.81]尽管他的纲领强烈依赖于弦理论的概念。

图3.23　标准（前暴胀）宇宙学可能意味着CMB天空中分隔超过ε=2°的点不会相互关联（因为q和r的过去光锥不会相交），而这种关联在60°都能看到，如图中点p和r。

另一个强力支持暴胀的关键观测证据是，引起CMB温度涨落的初始密度涨落，在非常大的范围内表现为标度不变的。暴胀宇宙学的解释是，在紧跟大爆炸之后，存在初始的完全随机的不规则性——具有“暴胀场”的初始的微小量子涨落的性质——接着，暴胀的指数膨胀起主导作用，将这些不规则性扩张到巨大的范围，最终表现为我们实际看到的物质（主要是暗物质）分布的密度不规则性。[3.83]这时候，指数膨胀是一个自相似过程，所以我们可以想象，假如初始涨落在时空的分布存在随机性，那么指数过程对这些涨落的作用应该是具有一定标度不变性的分布。实际上，早在暴胀纲领提出之前，哈里森（E.R.Harrison）和泽尔多维齐（Y.B.Zel’dovich）就在1970年提出，我们在宇宙物质的早期分布中看到的均匀性偏离可以通过假定初始涨落的标度不变性来解释。不仅是暴胀为这种假设提供了根据，后来的CMB观测的分析也证实了标度不变性在远大于过去的范围内成立，这就为暴胀思想准备了强有力的支持，特别是因为很难看到其他类型的解释能为这种观测的标度不变性提供理论基础。

图3.24　暴胀的效应之一是增大之间的分离，因而出现图3.23中的关联性。

实际上，如果谁想拒绝暴胀图像，就需要找到某个新的解释，既要说明标度不变性，还要说明初始密度不规则性在视界尺度之外的相关性。在CCC中（如同在更早的维尼奇亚诺纲领中），对这两点的处理方法是，将紧随大爆炸出现的暴胀相替换为大爆炸之前的一个膨胀期，这在前面讨论过了。因为我们仍然有一个和暴胀一样的自相似的膨胀宇宙阶段，所以我们预期它也能产生具有标度不变性的密度涨落。而且，弗里德曼或托尔曼模型的视界尺度外的关联也能出现，只是现在的关联是通过发生在我们前一世代的事件来确定的。见图3.25。

图3.25　在CCC中，图3.23所要求的相关性可以从前一个世代的过程产生出来。

为了从CCC更具体说明那些事件可能像什么，我们必须明白前一世代可能会发生什么最相关的事情。在进入细节之前，我们还有一个特别巨大的问号需要回答。3.3节讲过，有一种可能我们必须认真考虑——即惠勒建议的：基本自然常数在前一世代的值可能并不精确等于在我们世代的值。最明显（也最简单）的可能是，我们世代的大数N（参见3.2节末尾）大约为N≈1020，在前一世代也许有别的数值。当然，这个问题有两个方面。如果能假定N那样的基本常数在前一世代也有和我们世代一样的值，或者观测对这些值的（合理）改变不敏感，那么生命肯定更加容易。但是，另一方面，如果数值的改变可能有明显不同的效应，那么我们就有一种潜在的令人激动的可能：实际地确定那样的数是不是真正的基本常数（本质上可以通过数学来计算），或者它是不是真的从一个世代变到另一个世代——也许以某种特殊的能经受观测检验的数学方式。

至于我们自己的世代如何向遥远的未来演化，也有一系列的问号。这里，对CCC的要求和预期多少更清楚一些。具体说来，Λ必须是宇宙学常数，而我们的世代在指数膨胀中延续到永远。黑洞的霍金蒸发必须是真实的，并将延续到每个黑洞都消失，几乎将其全部静止能量存入低能的光子和引力辐射，即使对可能出现的最大黑洞来说，也是如此，直到它们最终消失。假如这种霍金辐射发生在我们以前的世代，那它还是可探测的吗？我们必须记住，黑洞的全部质量能量，不论初始多大，最终都会转化为低频率的电磁辐射。这些能量最后会出现在两个世代的界面，并在我们世代的CMB中留下微妙的痕迹。如果CCC是对的，那么我们也许有可能从CMB的微小不规则性中析出那些信息。如果真的如此，那就很值得注意了，因为我们世代的霍金辐射通常被认为是极其微弱的效应，根本不可能观测到！

CCC的更不寻常的意义在于，所有粒子的静止质量最终都将在遥远的未来消失殆尽（3.2节），从而在渐进极限下，所有残存粒子（包括带电的）都会变成无质量的。根据这个纲领，静止质量的衰减是有质量粒子的普遍特征，因而可以想象它应该是可观测效应。然而，在当下的认识阶段，这个纲领还没有提供有关质量衰减率的描述。衰减率可能是极其缓慢的，所以，即使眼下没有观测到质量的衰减，也不能用它来代表反对CCC的证据。需要说明的是，假如所有不同类型的粒子都有近似成比例的质量衰减率，那么它的效应将表现为引力常数的缓慢减小。到1998年，[3.84]关于引力常数衰减率的最佳实验极限是，它应该小于大约每年1.6×10-12。不过我们必须记住，与所有黑洞最终消失所需要的10100年比起来，1012年的时间尺度其实是微不足道的。我写此书时，还没想到什么明确的观测计划来严格检验CCC要求静止质量最终衰减的特征。

不过，CCC有一点明确的意义，应该有可能通过CMB的恰当分析来确定。这儿说的效应是两个超大质量黑洞（主要是那些星系中心的黑洞）靠近时发射的引力辐射。两个黑洞相遇，会有什么结果呢？如果黑洞靠得很近，那么每一个都可能使另一个的运动发生强烈偏转，从而引起引力辐射，从两个黑洞带走大量能量，并显著减弱它们之间的相对运动。如果两个黑洞逼近了，那么它们会在彼此的轨道俘获对方，通过引力波失去能量，从而越靠越近，失去巨大能量，最后互相吞噬，形成一个黑洞。在极端情形，这个黑洞可能是直接碰撞的结果，这样，它在通过引力辐射安顿自己之前就开始完全扭曲了。不论哪种情形，都会释放大量引力波，带走两个黑洞结合的巨大质量的相当大的部分。

图3.26　两个巨型黑洞在前一个世代的相遇将引起猛烈的引力辐射爆发，这将表现为CMB天空上的温度增强或减弱（依赖于整体几何）的一个圆圈。

图3.27　引力波爆发与3维界面相遇时，会在波动方向“冲击”下一个世代的初始物质。

引力波爆发给（假想的）原初暗物质带来的能量动量脉冲（即“冲击”）在朝着或离开我们的方向上也会有一个分量，依赖于u, e和相交曲面的几何关系。朝向或离开我们的效应，在整个圆周C上是处处一样的。于是，我们预期前一个世代的每一次黑洞相遇（即两个球面相交），都会在CMB天空留下一个圆圈，它对整个天空的背景平均CMB温度有着或正或负的贡献。

作为一个有用的类比，我们想象在平静无风的日子里细雨下的一个小池塘。每一滴雨都会激起一圈微澜，从一点向外散开。但如果雨滴很多，那么池塘里的涟漪就很难一个个分辨，它们会连续向外扩散，一个叠加另一个。每个雨滴都可以视为上面想象的黑洞的一次相遇。过一会儿，雨停了（就像黑洞最终通过霍金蒸发消失了），我们只看见池塘的随机波动的涟漪，从涟漪的照片看，很难确定那些模式是怎么形成的。不过，假如我们对模式进行适当的统计分析，应该可能（如果下雨的时间不是很长）重构原来雨点的时空分布模式，从而相信那些涟漪的确是具有这种性质的离散雨滴形成的。

我想，CMB的这类统计分析应该可以为CCC的建议提供很好的检验。所以，2008年5月偶然去普林斯顿大学时，我借机拜访了斯佩格尔（David Spergel），他是CMB数据分析的世界级专家。我问他有没有谁在CMB数据中见过这种效应，他回答“没有”，接着又说，“但也没人那么看过！”然后，他把这个问题交给他的一个博士后哈简（Admir Hajian），对WMAP卫星天文台的数据进行初步分析，尝试寻找是否存在这种效应的证据。

哈简做的是，选取一系列不同的半径，从1°角半径开始，然后以0.4°的幅度逐步增大角半径到大约60°（一共171个半径）。对每个半径，以均匀分布在天空的196 608个不同点为中心的圆周，都具有环绕那个圆周的平均CMB温度。然后，画出直方图，看是否存在预期的对完全随机数据的“高斯行为”的显著偏离。起初，他看到了一些“尖峰”，似乎清楚显现了大量具有CCC预言特征的圆圈。然而，不久就发现那不过是假象，因为有些圆圈通过了天空的某些特殊区域，与我们银河系的定位有关，而我们知道那儿比正常的CMB天空更热或更冷。为消除假效应，需要叠加星系平面附近的信息，经过这些步骤，假“尖峰”就被有效清除了。

这里应该指出的一点是，不管怎么说，形成尖峰的大量圆圈在天空的半径都超过了30°，而根据CCC，假如我们前一世代大致有着和我们世代一样的历史，圆圈的半径不该有那么大。原因在于，这里考虑的巨黑洞的相遇不该出现在前一世代的“现在时刻”之前，而我们世代的“现在时刻”大约在共形图的2/3左右（图3.28）。简单的几何表明，如果黑洞相遇的e点发生在前一世代的共形图的2/3以后，那么从我们的视点u看，圆圈的半径一定小于30°（与很多尖峰矛盾）。于是，这些效应可能产生的温度关联不会延伸到60°天球以外。在观测到的CMB温度关联中似乎真有落在大约60°以外的，这是很奇怪的事情。据我所知，标准的暴胀图景无法解释这一点，这也许又可以作为CCC建议的一个支持。

图3.28　在共形图中，我们似乎处于我们世代的2/3。假如前一世代的最早黑洞相遇也在那个时候，则我们可以预期存在一个60°的角关联界限。

在哈简的分析里，去掉那些尖峰后，还留下很多不同的看似显著的对高斯随机性的系统偏离。这些偏离，包括额外的角半径在7°和15°之间的冷圈，看起来特别值得关注，而且我认为它还需要解释。这些效应有可能是某些与CCC无关的虚假成分的结果，但我看关键问题在于，对随机的偏离是否关联着这样的事实：我们进行平均的天空区域确实就是圆，而不是别的形状，因为在CMB扰动的圆周性质似乎是CCC预言的一个基本特征。于是，我建议重新分析，但要对天球施行一种保持面积不变的“扭曲”（见图3.29）。这样，根据分析，天球的圆圈会显得更像椭圆。我曾提出进行3种不同形式的分析，一个没有天球变形，一个有小变形，一个有大变形。我预料CCC将预言非高斯效应在无扭曲时最大，在小扭曲是略有减小，而在大扭曲时也许会完全消失。

图3.29　将CMB天空扭曲到球极坐标（用公式θ′=θ，φ′=φ+3aπθ2-2aθ3），使圆变得更像椭圆。

然而，分析结果（哈简在2008年秋做的）令我惊讶！分析完整而系统地覆盖了从角半径8.4°到12.4°的区域（包含12个不同的柱状图），微弱的天球扭曲确实非常清楚地强化了这个特别的效应，而更大的天球扭曲也真的使它消失了。在柱状图的其他部分，我们看到多少有些相似的证据都表明了对我们所考察的圆周形状的敏感。一开始，我为这个发现惊呆了，简直不敢想象如何去解释小量扭曲的强化效应，不过我突然想到一种可能——也许我们自己世代的物质分布（幸好）存在巨大的不均匀性，它可能把圆周图像扭曲成椭圆的。[3.86]回想一下2.6节讲的，外尔曲率的存在可以显著扭曲图像（图2.48）。小扭曲产生的强化效应（根据我建议的图像）可以从一个意外的一致性产生出来——在天空的某些区域，我们施行的人为的天球扭曲与外尔曲率产生的实际扭曲，有着惊人的一致性。在其他区域，扭曲会带来更大的不一致，但在适当条件下，效应也可能是总体强化的，因为那些不一致产生的效应很容易在“噪声”中消失。

遗憾的是，外尔曲率导致的显著扭曲让分析变得更复杂了。为了看清在u和3维解耦曲面之间的直线上哪些地方有显著的外尔曲率，我们最好是把天空划分为小区域。也许这可以和宇宙物质分布的不均匀性联系起来（例如巨大的“空穴”）。[3.87]无论如何，这种情形总有不同寻常的诱人之处，似乎就等着我们去观测了。我们当然希望这些问题能在不远的将来得到澄清，那样的话，共形循环宇宙学的物理地位也能很快地以清晰的方式确定下来。

尾声

汤姆疑惑地看着阿姨，然后说，“那是我听过的最疯狂的想法！”

汤姆想回家了，大步走向阿姨的车，阿姨跟在后面。突然，他停下来，看雨滴落在水磨旁的池塘里。雨比刚才小多了，在水面形成小小的涟漪，每一颗雨滴都清晰可见。汤姆看了一会儿，禁不住地好奇……