共形循環宇宙學

共形循環宇宙學（英語：Conformal cyclic cosmology，簡稱：CCC）是廣義相對論框架下的一個宇宙學模型，由理論物理學家羅傑·彭羅斯提出。在該模型中，宇宙經歷無限地循環迭代，前一次迭代的未來類時無限遠與下一次迭代的大爆炸奇點相同。 彭羅斯在他2010年出版的《宇宙的輪迴》一書中推廣了這一理論。

基本結構

彭羅斯描述的共形循環宇宙學的基本結構是一個開放式弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規（簡稱FLRW）時空的可數序列之間的無限連接，其中每一個時空代表一個大爆炸以及之後無限的未來膨脹。彭羅斯注意到，經過適當的共形重標度（conformal rescaling）後，一個FLRW時空的過去共形邊界可以與另一個未來的FLRW時空的共形邊界「相連」。具體而言，每個單獨的FLRW度規$g_{ab}$乘以共形因子$\Omega$的平方進行重新標度，該因子在類時無限遠處趨近於零，於是可以將未來的共形邊界「壓扁」為規則的超曲面（如果按目前研究認為的那樣宇宙學常數為正，那這個超曲面是是類空的）。其結果是愛因斯坦方程的一個新解，彭羅斯用它來代表整個宇宙，它由彭羅斯稱之為「世代」（aeon）的一系列連續的宇宙階段組成。

共形循環宇宙學模型要求所有有質量的粒子最終都會消亡（無質量的粒子不經歷時間），包括那些與所有其他粒子分離得太遠而無法與它們一起湮滅的粒子。正如彭羅斯所指出的那樣，許多以標準模型為基礎的模型中都考慮過質子衰變的可能性，但這從未被實驗觀察到。此外，所有電子也必須衰變或者失去它們的電荷或質量，而這也是傳統理論中所沒有的。

在彭羅斯的諾貝爾獎演講中，他適當修正了之前對無質量的要求，允許一些有質量的粒子存在，只要它們在以光子為主的共形幾何中的數量微不足道，並且幾乎所有的能量都是動能的。

物理影響

共形循環宇宙學模型中粒子物理學的一個顯著特徵是，由於玻色子遵循共形不變的量子理論，它們在重新標度的「世代」中的行為方式與原來的FLRW空間中完全相同。對於這樣的粒子，「世代」之間的邊界並非是真實的邊界，而是像一個普通的類空曲面一樣可以被穿過。與此相對，費米子則會被限制在一個「世代」之中，這為黑洞信息悖論提供了一種解決方案；根據彭羅斯的說法，費米子必須在黑洞蒸發過程中不可逆轉地轉化為輻射，以保持「世代」之間的光滑邊界。

彭羅斯模型的曲率性質也有利於解釋某些宇宙學問題。首先，「世代」之間的邊界滿足外爾曲率假說，從而保證了低熵的過去（這是過去假設、統計力學以及實證觀測結果所要求的）。其次，彭羅斯計算出一定量的引力輻射可以穿越「世代」之間的邊界。他認為，這種額外的引力輻射可能足以解釋觀測到的宇宙加速膨脹，而無需藉助暗能量場。

實驗

2010年，彭羅斯和瓦赫·古薩德揚發文聲稱威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）和毫米波段氣球觀天計劃對宇宙微波背景的觀測與基於標準ΛCDM模型的模擬結果相比多出了額外的同心圓，是上一「世代」的引力輻射留下的，其結果有6σ的顯著性。然而，這一統計顯著性分析結果此後一直存在爭議。三個研究團隊獨立地試圖重現這些結果，但發現這些異常的同心圓並沒有統計學意義。

這一分歧的根本原因源於如何構建用於檢驗顯著性的模擬：試圖重複結果的三個團隊採用的都是基於標準ΛCDM模型的模擬，而彭羅斯和古薩德揚使用的則是一種未被記載的非標準模型。

2013年，古薩德揚和彭羅場發表了他們工作的新發展，並引入了一種他們稱為「天空扭曲處理」（sky-twist procedure）的不基於模擬的新方法，並使用該方法直接分析WMAP的數據。2015年，他們又發表了基於普朗克衛星數據的分析結果，其中包括了不均勻天空分布的同心圓結構，證實了他們之前對WMAP數據的分析。

在2018年發表的一篇論文中，彭羅斯等人對宇宙微波背景輻射的數據進行了進一步分析，指出「無論共形循環宇宙模型是否成立，這些異常點都為宇宙學提供了重要的新發現」。他們還提出，這些異常可能是「霍金點」（Hawking point），即源於「我們之前『世代』中的超大質量黑洞的霍金蒸發」的殘餘信號。他們論文的原始版本聲稱其中一個霍金點與BICEP2團隊發現的一處B模位置重合。不過，在之後的更新版本中已經刪去了該主張。2020年的一項研究發現，一旦考慮到別處效應，這些表面上異常的「霍金點」實際上與標準通脹模型是相容的，因此認為它們不能用作支持共形循環宇宙的證據。

共形循環宇宙與費米悖論

2015年，古薩德揚和彭羅場還討論了費米悖論，即地外文明存在性的過高估計和缺少相關證據之間的矛盾。在共形循環宇宙學中，宇宙微波背景輻射提供了信息從一個「世代」傳到另一個「世代」的可能性，包括信息胚種論概念里的智能信號。