第8.11節：全域因果結構完全由度規光錐決定的強口徑

目錄 ／ 第8章：EFT將衝擊的範式理論

三步曲目標

幫助讀者理解：把宇宙的全域因果關係完全交給“度規光錐”來決定的強口徑為何長期占主流；在更高精度與更廣口徑的觀測下它遭遇哪些難點；以及 EFT 如何把“光錐”降格為零階外觀，用“能量海—張度地形”的統一語言重述傳播上限與因果走廊，並給出可檢的跨探針線索。

一、現行範式怎麼說

1. 核心主張

• 度規幾何給出光錐：在每個時空點，光速 cc 定義了因果可達/不可達的邊界。
• 全域因果結構（哪些事件能影響哪些事件、是否存在地平線/閉合因果圈等）由度規的全球性質唯一決定。
• 光與自由落體沿測地線傳播，幾何的彎曲即是引力的內容；因果關係因此是幾何命題。

2. 為什麼大家喜歡它

• 清晰統一：一把“錐形直尺”刻畫因果；理論定理（全球雙曲性、奇性定理、地平線結構）配套完備。
• 工程可用：從導航到引力波傳播，度規作為“舞臺”便於計算與預測。
• 與本地實驗相容：在局域近似平直時，回收狹義相對論的光錐結構。

3. 應該如何理解
   這是一種強同一的口徑：把“傳播上限的物理”與“幾何外觀”綁定為一件事。沿途結構、介質回應與時間演化通常被降為“擾動”，不改變因果的唯一幾何來源。

二、觀測中的難點與爭議

• 沿途演化與“記憶”
  高精度計時與遠端天文路徑（強透鏡多像、時間延遲、標準燭/尺殘差）顯示：沿途環境在緩慢演化時，會留下微小但可重複的淨效應。把這些全部壓成“靜態幾何上的微擾”，會削弱對時間演化的成像能力。
• 方向/環境的弱一致性
  在不同天區與大尺度環境，到達時間與頻率的微殘差偶見同向趨勢；若把光錐視作唯一且處處同構的幾何邊界，規律性殘差缺少明確去處。
• 多探針對齊的成本
  要讓超新星殘差、BAO 尺規微差、弱透鏡會聚、強透鏡時間延遲全部在單一“度規光錐”上對齊，常需各加補丁參數（回饋、系統學、經驗項），一致性解釋的成本升高。
• 本體—外觀的混同
  把光錐當作本體而非外觀，會掩蓋一個問題：傳播上限是誰設定的？如果上限來自介質的張度與響應，那麼“幾何光錐”更像是外觀投影而非成因。

簡短結論

度規光錐是極強的零階外觀工具；但把全域因果完全交給它，容易將沿途演化、環境依賴與跨探針同向殘差壓平為雜訊，損失物理診斷力。

三、EFT 的重述與讀者能感知到的變化

EFT 的一句話

把“度規光錐”降為零階外觀：真正設定傳播上限與因果走廊的是能量海的張度。張度決定本地上限與有效各向性；當張度地形隨時間演化時，長程信號（光、引力擾動）在傳播中積累無色散的淨效應（見 8.4、8.5），於是全域因果不再由單一度規唯一決定，而由張度場 + 其演化給出的一簇“有效走廊”刻畫。

直觀比喻

把宇宙想成一片張力可變的海：

• 零階：海面均勻拉緊時，船的可達域像一個標準圓錐（度規光錐的外觀）。
• 一階：若海面張力存在緩坡與緩變，船的最快通道會輕微偏折/收放，形成因果走廊的亞百分比改寫。地圖上仍可畫錐，但真正的通行極限由張度與其時間演化設定。

EFT 重述的三點要義

1. 零階 vs 一階

• 零階：局域張度均一 → 回收標準光錐與測地線外觀。
• 一階：張度地形緩慢演化 → 傳播上限的有效各向性與輕微時變 → 在長路徑上留下無色散的淨頻移與到達時差。

2. 因果＝介質上限，幾何＝外觀投影

• 光錐是對“上限”的幾何化表達，但上限的物理來自張度；
• 統計張度引力（STG）與兩類張度紅移共同決定“走得了多快、走多久、沿哪條走”。

3. 一圖多用

• 同一張張度勢底圖應當同時解釋：
  1. 強透鏡多像的時間延遲微差與紅移細偏；
  2. 超新星/BAO 的方向性殘差；
  3. 弱透鏡大尺度會聚的幅度與取向。
• 若各資料集需要各自獨立的“光錐補丁”，則不支持 EFT 的統一重述。

可檢線索（示例）

• 無色散約束：在校正等離子體色散後，FRB/GRB/類星體光變的到達時殘差若隨頻段共同移動，支援“演化型路徑效應”；顯著分色則否。
• 取向對齊：超新星哈勃殘差、BAO 尺規微差、強透鏡時間延遲的微調在同一優選方向呈同向偏移，並與弱透鏡會聚圖的取向一致。
• 多像差分：同一源不同像的到達時差與紅移細微差出現同源相關（穿越不同演化程度的張度走廊）。
• 環境隨動：穿越團簇/絲狀體更豐富的視線，時間—頻率殘差略大於空洞視線，幅度與底圖外場強度相關。

讀者可以直觀理解的變化

• 觀點層：不再把光錐當作唯一本體，而把它當作張度設定的上限外觀；因果來自介質，幾何是投影。
• 方法層：從“壓平路徑效應”轉為“殘差成像”，把到達時差與頻移殘差納入同一底圖。
• 預期層：尋找無色散、方向一致、環境隨動的微弱圖樣，並檢驗一圖多用能否同時降低多探針殘差。

常見誤解的簡短澄清

• EFT 允許超光速或因果違背嗎？ 不允許。張度給出的是本地傳播上限，外觀可被改寫，但上限不被突破；不引入閉合因果圈。
• 是否破壞狹義相對論？ 局域均一張度下，零階回收 SR 的光錐與洛倫茲對稱；一階僅體現為極弱環境項。
• 這是“光疲勞”嗎？ 不是。路徑效應是無色散的整體移調，不涉及吸收/散射耗能。
• 與度規膨脹有什麼關係？ 本章不採用“空間整體拉伸”；紅移與到達時差來自張度勢紅移 + 演化型路徑紅移與STG的合賬。

本節小結

“全域因果結構完全由度規光錐決定”的強口徑把因果問題幾何化，在零階上十分有力；但它也把沿途演化與環境依賴推入“誤差桶”。EFT 把傳播上限還原為張度設定，把光錐降為外觀，並要求用同一張度勢底圖在強透鏡、弱透鏡、距離與計時之間一圖多用。這樣，因果不被削弱，反而獲得了可成像、可檢驗的物理細節。