第8.2節：宇宙大爆炸：單一起源的重述與檢驗

目錄 ／ 第8章：EFT將衝擊的範式理論

三步曲目標

• 看清為何“熱大爆炸時間線”曾長期占主流：它把紅移、CMB、輕元素和結構生長連成一條順滑敘事。
• 點名四塊“理論基石”的解釋難點：在精細資料與多探針時代，哪些地方開始“卡頓”。
• 給出統一重述：以統計張度引力（STG，見1.11節）與張度本地雜訊（TBN，見1.12節）兩張背景層（由廣義不穩定粒子（GUP，見1.10節）持續供給）為底座，用同一套介質—張度機制，把同一批觀測一口氣講通；從而讓“單一次、大爆炸”不再是唯一也不再是必要的宇宙起源敘事。

（以下正文中，“統計張度引力”“張度本地雜訊”“不穩定粒子”一律使用全稱，不再重複縮寫。）

一、現行範式怎麼說（主流畫像）

核心主張

• 宇宙起初極熱極密，隨後整體冷卻並“膨脹”。
• 最早幾分鐘合成了氦、氘、少量鋰等輕元素。
• 等離子體與光子“脫耦”後留下 2.7 K 的宇宙微波背景；其細紋記錄了初始起伏。
• 細小起伏由引力放大，搭起宇宙網與星系。

為什麼這一敘事受歡迎

• 一條順滑時間線：把紅移—CMB—輕元素—結構生長排隊對上。
• 算得快、傳播易：少參數、清畫面，“一次大爆炸”的意象直觀。
• 四塊“基石”支撐：宇宙紅移、CMB、輕元素豐度、大尺度結構形成。

二、四塊“理論基石”：主流解釋 → 困境 → EFT重述（逐塊攻破）

A. 宇宙紅移（Hubble–Lemaître 關係）

1. 主流解釋
   距離越遠紅移越大，被讀作空間整體拉伸，光的波長隨之被拉長。
2. 解釋困境

• “近—遠之爭”：近場（距離梯隊、標準燭光）與遠場（CMB 推斷）得到的膨脹速率存在系統差。
• 方向/環境弱指紋：高精度殘差裡出現取向與環境依賴，不易完全丟給“系統誤差”。
• 路徑項難“一鍋端”：光穿越團簇、空洞、絲狀體時的沿途效應如何統一入帳，口徑鬆散。

3. EFT重述（機制要點）

• 兩類紅移同寫入帳：
  1. 張度勢紅移——源端與受端所處張度勢不同，鐘錶基準差帶來無分色頻移；
  2. 演化型路徑紅移——光在傳播期間穿越正在演化的張度地形，進入與離開不對稱，積累額外無分色頻移。
• 緩和“近—遠張力”：數值差異等價於採樣了不同張度演化歷史與路徑集合，無需強行“抹平”。
• 把殘差變地圖：方向/環境相關的小偏差不是噪音，而是張度等高線的圖元。

4. 可檢要點
   • 無分色檢驗：同一路徑、不同波段的紅移共同偏移；若出現顯著分色漂移，則否。
   • 取向一致：超新星距離殘差、BAO 尺規微差、弱透鏡會聚的優選方向共向。
   • 環境隨動：穿過絲—結點更密集視線的紅移殘差幅度系統偏高於空洞方向。

B. 宇宙微波背景（CMB）

1. 主流解釋
   CMB 是“熱大爆炸—等離子體冷卻—脫耦”的熱餘輝；多極功率譜與 E/B 偏振記錄“初始起伏 + 後期輕改寫”。
2. 解釋困境

• 大角尺度“不完美”：低多極取向、半球不對稱、冷斑等集合出現，難當作純統計偶然。
• “鏡頭力度”偏好：對後期結構“揉皺”CMB 的力度，資料常稍偏更強。
• 原初引力波不顯著：最簡早期故事的某些預期信號遲遲不見，指向更溫和/更複雜的早期史。

3. EFT重述（機制要點）
   • 底色從雜訊中來：早期高耦合時代，張度本地雜訊（來自不穩定粒子解構撒回的海量寬頻擾動）被快速黑化為近乎完美黑體，定下 2.7 K 底色。
   • 節拍刻在鼓面上：強耦合期的壓縮—回彈把“聲學節拍”刻進底片；解耦時“拍照”定格峰—穀與 E 模主脈絡。
   • 沿途鏡片與磨砂：後期統計張度引力如厚玻璃“拽彎”E→B並抹圓小尺度；殘留的弱張度本地雜訊微幅柔化邊緣。
   • “暴漲替身”：早期高傳播上限：在高張度緩降的早期階段，介質的有效傳播上限被拉高，配合網路的塊狀重繪能力，快速抹平大尺度溫度差並建立遠區同相，無須額外假定一個外植的“幾何猛拉”階段。
   • 大角“餘紋”有去處：半球不對稱、低多極對齊、冷斑等，是超大尺度張度紋理與演化型路徑紅移的聯合指紋，非純系統學。
4. 可檢要點
   • E/B—會聚相關：B 模與會聚圖在更小尺度上相關增強；與弱透鏡統計共圖。
   • 無分色路徑印記：與 CMB 相關的溫度大塊偏移在多頻段同向共移，指向路徑演化而非帶顏色的前景。
   • “鏡頭力度”一致化：用同一張張度勢底圖同時擬合CMB 透鏡與星系弱透鏡，兩邊殘差同向變小。

C. 輕元素豐度（氘、氦、鋰）

1. 主流解釋
   “大爆炸核合成”在早期幾分鐘內定下氘/氦/鋰；氘、氦普遍吻合，鋰長期偏高。
2. 解釋困境
   鋰之痛：要“只動鋰不擾氘/氦”很難；恒星表面消耗、核率再評估、新粒子注入各有代價。
3. EFT重述（機制要點）
   • 張度設窗（高張度緩降）：反應“開爐/停爐”的視窗由張度水準的平滑緩降設定；這在不觸動“熱史主幹”的前提下，輕微改位元“氘瓶頸→鈹/鋰生成”的有效時段。
   • 二保一改：在保住氘/氦的同時，通過視窗邊緣與通量的小幅調製自然下調鋰。
   • 微弱“補刀”在容差內：若存在極弱、短時、選擇性的中子/軟光子注入（源自不穩定粒子的統計餘響），其強度受限於 CMB 微畸變與氘/氦容差之內，可偏向性降低鈹/鋰而不破壞整體成功。
4. 可檢要點
   • 平臺弱取向：極低金屬豐度恒星群中，鋰平臺的微小系統偏差與張度地圖弱相關。
   • 連鎖一致：張度設窗對 CMB 細部參數與重子聲速的改動方向，與鋰的修正方向一致。

D. 大尺度結構形成（宇宙網與星系成長）

1. 主流解釋
   初始細紋在“暗物質”腳手架上放大，普通物質落入，長成絲—牆—節點—空洞。
2. 解釋困境
   • 小尺度危機：衛星數目、中心密度形狀、極致緻密矮星系等，需要大量回饋“補丁”。
   • “過早過胖”：遠古樣本中出現過於成熟/緻密的物件。
   • 動力學“太整齊”：旋轉曲線展示可見品質—額外牽引之間異常緊密的關係。
3. EFT重述（機制要點）
   • 統計張度引力提供“額外牽引”： 額外拉力來自能量海對密度起伏的統計性張度回應，無需假定一整族未被探測到的新粒子；在小尺度上表現為勢阱軟化與中心核化，緩解“尖峰—平核”與“太大而不該失敗”等問題。
   • 早期高效導流（高張度緩降）：早期階段有效傳播上限更高、導流更強，物質輸運與併合更快；與前述額外牽引相乘，即可形成“無需極端回饋也能過早緻密化”的局面。
   • 小尺度功率被切頂且子暈易毀：張度的相干尺度抑制高波數端的起伏，先天減少小品質子暈；核化後束縛能變淺，子暈對潮汐更脆弱，亮衛星自然偏少。
   • “整齊”是結構性必然：可見物質分佈在統一的張度核下被映射為額外牽引，外盤托平、徑向加速度關係與重子圖裡–費舍爾關係的緊致性由同一外場映射給出，並非偶然對齊。
4. 可檢要點
   • 一核多用：同一統一張度核同時擬合旋轉曲線與弱透鏡會聚，殘差隨環境系統性變化。
   • 殘差共向：速度場與透鏡圖的殘差在空間上同向，指向相同外場方向。
   • 早期速成率：高紅移緻密星系的出現率與“高張度緩降”的幅度與時長定量相符。

三、統一重述（把四塊石頭放回同一塊底板）

• 起源不是“一個點的爆炸”，而是一次“開閘”後的高張度緩降史：無時之初的全域閉鎖解鎖後，宇宙進入一段持續高張度但整體緩降的時期。
• 為何迅速變整齊：高張度背景把有效傳播上限拉高，疊加網路塊狀重繪，在極短物理時段建立遠區同溫同相（解決“視界/均勻性”問題）。
• 為何又留紋理：在緩降中，張度本地雜訊提供寬頻微擾；張度地形的選擇性濾波把若干相干尺度凍結為初始紋理；後由統計張度引力轉寫為結構生長的引導圖。
• 為何早成熟、且“規則”：統計張度引力提供平滑托舉，統一張度核把可見分佈映射為“額外牽引”的整齊刻度；早期高傳播上限加速緻密化/輸運。
• 觀測一圖多用：同一張度勢底圖，同時減少紅移殘差、CMB 透鏡殘差、弱透鏡殘差與旋轉曲線殘差——由“多補丁”改為“同底圖”。

四、跨探針檢驗（把承諾寫成清單）

• 取向對齊：紅移殘差、CMB 低多極、弱透鏡會聚與強透鏡時間延遲的微偏，指向同一優選方向。
• 無分色約束：演化型路徑紅移與張度勢紅移對不同波段共同偏移；若顯著分色，則否。
• 一圖多用：同一張度勢底圖在 CMB 透鏡與星系弱透鏡上同步降低殘差；若需各調一張圖，則否。
• 早期速成：高紅移緻密結構的出現率與高張度緩降的幅度/時長定量匹配。
• B—κ 相關隨尺度增強：B 模與會聚圖的相關向小尺度增強，與統計張度引力的“揉皺力度”一致。

五、常見疑問的簡短澄清

• 否定“早期很熱”嗎？ 不。我們把“爆炸點”改寫為可描述的高張度緩降階段；高溫來自鎖存張力的再熱轉帳。
• 會破壞既有吻合嗎？ 不。氘/氦與 CMB 主體的成功得以保留；鋰偏差與大角尺度異常被賦予物理去處。
• 是否“把一切都算環境效應”？ 否。僅把可複現的方向/環境相關圖樣當證據，其餘仍受常規系統學約束。
• 宇宙在“膨脹”嗎？ 觀測上“更遠更紅”是事實；在本圖景中，其因由張度勢紅移 + 演化型路徑紅移共同給出，並不需要把幾何整體拉伸作為唯一解釋。

六、收束結論

• 四塊基石，同一底板：宇宙紅移、CMB、輕元素、結構生長的主要觀測，可統一落回“能量海 + 張度地形”的物理底座。
• 單一起源不再唯一也不再必要：當同一套介質—張度機制同時化解各自的“異常與困境”時，“一次性的大爆炸”不再是必須的起點。
• 方法論收益：更少公設、更強可遷移性，把不同資料從“各說各話”變成“同圖拼接”，讓檢驗而不是口號成為核心。

至此，絲海圖景把宇宙學四大支柱並列重寫為一張可共用的張度勢地圖：底色由張度本地雜訊黑化，節拍由耦合聲學定格，路徑由統計張度引力雕刻，紅移由勢差與演化路徑共謀。剩下的工作，是按清單逐項驗收。