第8.2节：宇宙大爆炸：单一起源的重述与检验

目录 ／ 第8章：EFT将冲击的范式理论

三步曲目标

• 看清为何“热大爆炸时间线”曾长期占主流：它把红移、CMB、轻元素和结构生长连成一条顺滑叙事。
• 点名四块“理论基石”的解释难点：在精细数据与多探针时代，哪些地方开始“卡顿”。
• 给出统一重述：以统计张度引力（STG，见1.11节）与张度本地噪声（TBN，见1.12节）两张背景层（由广义不稳定粒子（GUP，见1.10节）持续供给）为底座，用同一套介质—张度机制，把同一批观测一口气讲通；从而让“单一次、大爆炸”不再是唯一也不再是必要的宇宙起源叙事。

（以下正文中，“统计张度引力”“张度本地噪声”“不稳定粒子”一律使用全称，不再重复缩写。）

一、现行范式怎么说（主流画像）

核心主张

• 宇宙起初极热极密，随后整体冷却并“膨胀”。
• 最早几分钟合成了氦、氘、少量锂等轻元素。
• 等离子体与光子“脱耦”后留下 2.7 K 的宇宙微波背景；其细纹记录了初始起伏。
• 细小起伏由引力放大，搭起宇宙网与星系。

为什么这一叙事受欢迎

• 一条顺滑时间线：把红移—CMB—轻元素—结构生长排队对上。
• 算得快、传播易：少参数、清画面，“一次大爆炸”的意象直观。
• 四块“基石”支撑：宇宙红移、CMB、轻元素丰度、大尺度结构形成。

二、四块“理论基石”：主流解释 → 困境 → EFT重述（逐块攻破）

A. 宇宙红移（Hubble–Lemaître 关系）

1. 主流解释
   距离越远红移越大，被读作空间整体拉伸，光的波长随之被拉长。
2. 解释困境

• “近—远之争”：近场（距离梯队、标准烛光）与远场（CMB 推断）得到的膨胀速率存在系统差。
• 方向/环境弱指纹：高精度残差里出现取向与环境依赖，不易完全丢给“系统误差”。
• 路径项难“一锅端”：光穿越团簇、空洞、丝状体时的沿途效应如何统一入账，口径松散。

3. EFT重述（机制要点）

• 两类红移同写入账：
  1. 张度势红移——源端与受端所处张度势不同，钟表基准差带来无分色频移；
  2. 演化型路径红移——光在传播期间穿越正在演化的张度地形，进入与离开不对称，积累额外无分色频移。
• 缓和“近—远张力”：数值差异等价于采样了不同张度演化历史与路径集合，无需强行“抹平”。
• 把残差变地图：方向/环境相关的小偏差不是噪音，而是张度等高线的像素。

4. 可检要点
   • 无分色检验：同一路径、不同波段的红移共同偏移；若出现显著分色漂移，则否。
   • 取向一致：超新星距离残差、BAO 标尺微差、弱透镜会聚的优选方向共向。
   • 环境随动：穿过丝—结点更密集视线的红移残差幅度系统偏高于空洞方向。

B. 宇宙微波背景（CMB）

1. 主流解释
   CMB 是“热大爆炸—等离子体冷却—脱耦”的热余辉；多极功率谱与 E/B 偏振记录“初始起伏 + 后期轻改写”。
2. 解释困境

• 大角尺度“不完美”：低多极取向、半球不对称、冷斑等集合出现，难当作纯统计偶然。
• “镜头力度”偏好：对后期结构“揉皱”CMB 的力度，数据常稍偏更强。
• 原初引力波不显著：最简早期故事的某些预期信号迟迟不见，指向更温和/更复杂的早期史。

3. EFT重述（机制要点）
   • 底色从噪声中来：早期高耦合时代，张度本地噪声（来自不稳定粒子解构撒回的海量宽带扰动）被快速黑化为近乎完美黑体，定下 2.7 K 底色。
   • 节拍刻在鼓面上：强耦合期的压缩—回弹把“声学节拍”刻进底片；解耦时“拍照”定格峰—谷与 E 模主脉络。
   • 沿途镜片与磨砂：后期统计张度引力如厚玻璃“拽弯”E→B并抹圆小尺度；残留的弱张度本地噪声微幅柔化边缘。
   • “暴涨替身”：早期高传播上限：在高张度缓降的早期阶段，介质的有效传播上限被拉高，配合网络的块状重绘能力，快速抹平大尺度温度差并建立远区同相，无须额外假定一个外植的“几何猛拉”阶段。
   • 大角“余纹”有去处：半球不对称、低多极对齐、冷斑等，是超大尺度张度纹理与演化型路径红移的联合指纹，非纯系统学。
4. 可检要点
   • E/B—会聚相关：B 模与会聚图在更小尺度上相关增强；与弱透镜统计共图。
   • 无分色路径印记：与 CMB 相关的温度大块偏移在多频段同向共移，指向路径演化而非带颜色的前景。
   • “镜头力度”一致化：用同一张张度势底图同时拟合CMB 透镜与星系弱透镜，两边残差同向变小。

C. 轻元素丰度（氘、氦、锂）

1. 主流解释
   “大爆炸核合成”在早期几分钟内定下氘/氦/锂；氘、氦普遍吻合，锂长期偏高。
2. 解释困境
   锂之痛：要“只动锂不扰氘/氦”很难；恒星表面消耗、核率再评估、新粒子注入各有代价。
3. EFT重述（机制要点）
   • 张度设窗（高张度缓降）：反应“开炉/停炉”的窗口由张度水平的平滑缓降设定；这在不触动“热史主干”的前提下，轻微改位“氘瓶颈→铍/锂生成”的有效时段。
   • 二保一改：在保住氘/氦的同时，通过窗口边缘与通量的小幅调制自然下调锂。
   • 微弱“补刀”在容差内：若存在极弱、短时、选择性的中子/软光子注入（源自不稳定粒子的统计余响），其强度受限于 CMB 微畸变与氘/氦容差之内，可偏向性降低铍/锂而不破坏整体成功。
4. 可检要点
   • 平台弱取向：极低金属丰度恒星群中，锂平台的微小系统偏差与张度地图弱相关。
   • 连锁一致：张度设窗对 CMB 细部参数与重子声速的改动方向，与锂的修正方向一致。

D. 大尺度结构形成（宇宙网与星系成长）

1. 主流解释
   初始细纹在“暗物质”脚手架上放大，普通物质落入，长成丝—墙—节点—空洞。
2. 解释困境
   • 小尺度危机：卫星数目、中心密度形状、极致致密矮星系等，需要大量反馈“补丁”。
   • “过早过胖”：远古样本中出现过于成熟/致密的对象。
   • 动力学“太整齐”：旋转曲线展示可见质量—额外牵引之间异常紧密的关系。
3. EFT重述（机制要点）
   • 统计张度引力提供“额外牵引”： 额外拉力来自能量海对密度起伏的统计性张度响应，无需假定一整族未被探测到的新粒子；在小尺度上表现为势阱软化与中心核化，缓解“尖峰—平核”与“太大而不该失败”等问题。
   • 早期高效导流（高张度缓降）：早期阶段有效传播上限更高、导流更强，物质输运与并合更快；与前述额外牵引相乘，即可形成“无需极端反馈也能过早致密化”的局面。
   • 小尺度功率被切顶且子晕易毁：张度的相干尺度抑制高波数端的起伏，先天减少小质量子晕；核化后束缚能变浅，子晕对潮汐更脆弱，亮卫星自然偏少。
   • “整齐”是结构性必然：可见物质分布在统一的张度核下被映射为额外牵引，外盘托平、径向加速度关系与重子图里–费舍尔关系的紧致性由同一外场映射给出，并非偶然对齐。
4. 可检要点
   • 一核多用：同一统一张度核同时拟合旋转曲线与弱透镜会聚，残差随环境系统性变化。
   • 残差共向：速度场与透镜图的残差在空间上同向，指向相同外场方向。
   • 早期速成率：高红移致密星系的出现率与“高张度缓降”的幅度与时长定量相符。

三、统一重述（把四块石头放回同一块底板）

• 起源不是“一个点的爆炸”，而是一次“开闸”后的高张度缓降史：无时之初的全局闭锁解锁后，宇宙进入一段持续高张度但整体缓降的时期。
• 为何迅速变整齐：高张度背景把有效传播上限拉高，叠加网络块状重绘，在极短物理时段建立远区同温同相（解决“视界/均匀性”问题）。
• 为何又留纹理：在缓降中，张度本地噪声提供宽带微扰；张度地形的选择性滤波把若干相干尺度冻结为初始纹理；后由统计张度引力转写为结构生长的引导图。
• 为何早成熟、且“规则”：统计张度引力提供平滑托举，统一张度核把可见分布映射为“额外牵引”的整齐刻度；早期高传播上限加速致密化/输运。
• 观测一图多用：同一张度势底图，同时减少红移残差、CMB 透镜残差、弱透镜残差与旋转曲线残差——由“多补丁”改为“同底图”。

四、跨探针检验（把承诺写成清单）

• 取向对齐：红移残差、CMB 低多极、弱透镜会聚与强透镜时间延迟的微偏，指向同一优选方向。
• 无分色约束：演化型路径红移与张度势红移对不同波段共同偏移；若显著分色，则否。
• 一图多用：同一张度势底图在 CMB 透镜与星系弱透镜上同步降低残差；若需各调一张图，则否。
• 早期速成：高红移致密结构的出现率与高张度缓降的幅度/时长定量匹配。
• B—κ 相关随尺度增强：B 模与会聚图的相关向小尺度增强，与统计张度引力的“揉皱力度”一致。

五、常见疑问的简短澄清

• 否定“早期很热”吗？ 不。我们把“爆炸点”改写为可描述的高张度缓降阶段；高温来自锁存张力的再热转账。
• 会破坏既有吻合吗？ 不。氘/氦与 CMB 主体的成功得以保留；锂偏差与大角尺度异常被赋予物理去处。
• 是否“把一切都算环境效应”？ 否。仅把可复现的方向/环境相关图样当证据，其余仍受常规系统学约束。
• 宇宙在“膨胀”吗？ 观测上“更远更红”是事实；在本图景中，其因由张度势红移 + 演化型路径红移共同给出，并不需要把几何整体拉伸作为唯一解释。

六、收束结论

• 四块基石，同一底板：宇宙红移、CMB、轻元素、结构生长的主要观测，可统一落回“能量海 + 张度地形”的物理底座。
• 单一起源不再唯一也不再必要：当同一套介质—张度机制同时化解各自的“异常与困境”时，“一次性的大爆炸”不再是必须的起点。
• 方法论收益：更少公设、更强可迁移性，把不同数据从“各说各话”变成“同图拼接”，让检验而不是口号成为核心。

至此，丝海图景把宇宙学四大支柱并列重写为一张可共用的张度势地图：底色由张度本地噪声黑化，节拍由耦合声学定格，路径由统计张度引力雕刻，红移由势差与演化路径共谋。剩下的工作，是按清单逐项验收。