3个可能颠覆大爆炸理论的假说

对于保罗·斯坦哈特和尼尔·图罗克来说，大爆炸理论在1999年夏天于英国剑桥结束。他们共同组织了一场名为“连接基础物理学与宇宙学的学校”的会议，两人坐在会议上突然产生了相同的想法。也许科学终于准备好解决是什么让大爆炸发生这个谜团了。如果真是这样，那么科学也许也能回答所有问题中最深刻的一个：大爆炸之前发生了什么？

斯坦哈特和图罗克——与一些志同道合的同事密切合作——现在已将这些见解发展成一种彻底替代盛行的、类似《创世纪》的宇宙学观点。根据大爆炸理论，整个宇宙在大约137亿年前的某个单一时刻出现。而在竞争理论中，我们的宇宙在无休止的创造循环中生成和再生。循环模型的最新版本甚至与支持旧观点的一些关键观测证据相吻合。

这是对大爆炸理论这一40年之久的正统观念迄今为止最详细的挑战。一些研究人员走得更远，设想了一种无限的时间，这种时间不仅存在于这个宇宙中，还存在于一个多重宇宙中——一个由众多宇宙组成的多重宇宙，每个宇宙都有自己的物理定律和生命故事。还有一些人试图修正时间这个概念本身，使“开端”这个概念变得毫无意义。

所有这些宇宙学异端都同意一件事：大爆炸不再定义人类思维所能探索的极限。

大想法一：难以置信的体量

由滑铁卢理论物理围边界研究所的叶夫根尼·布赫宾德尔（Evgeny Buchbinder）主导的斯坦哈特和图罗克循环宇宙学最新阐述，于去年12月发表。然而，这项工作背后的动力远早于现代宇宙理论。在公元四世纪，圣奥古斯丁思考着上帝在《创世纪》第一天之前在做什么（讽刺地重复着恼怒的反驳：“他正在为那些探究过深的人准备地狱”）。1929年，埃德温·哈勃确定宇宙正在膨胀，这个问题才成为一个科学问题。向后推断，哈勃的观测表明宇宙是从一个爆炸性的起源——传说中的大爆炸——中飞散开来的。

在1960年代形成的大爆炸标准解释中，形成事件不是发生在空间和时间中某个点的爆炸，而是空间和时间的爆炸。在这种观点下，时间之前并不存在。即使对于该领域的许多研究人员来说，这也是一个难以接受的观点。很难想象时间刚刚开始：宇宙是如何决定何时弹出存在的？

多年来，每一次试图理解那个形成时刻发生的事情的尝试都迅速碰壁。在标准的大爆炸模型中，宇宙以接近无限的密度和温度状态开始。在这种极端情况下，已知的物理定律失效了。为了追溯到时间的最开始，物理学家需要一个新理论，一个能将广义相对论与量子力学融合的理论。

随着物理学家们在弦理论（一种很有希望调和相对论和量子观点的研究方法）中完善他们的想法，理解大爆炸的前景在1990年代开始改善。目前还没有人知道弦理论是否与现实世界相符——大型强子对撞机，一个将于今年晚些时候上线的粒子对撞机，可能会提供一些线索——但它已经激发了关于宇宙如何构建的惊人想法。最值得注意的是，当前版本的弦理论除了我们所经历的三个空间维度之外，还假设了七个隐藏的维度。

在那些额外的维度中，奇妙而美妙的事情可能会发生：这正是激发斯坦哈特（普林斯顿大学）和图罗克（剑桥大学）在1999年举行他们那场决定性会议的原因。“我们组织这次会议是因为我们都觉得标准的大爆炸模型无法解释一些事情，”图罗克说。“我们想把人们聚集在一起，讨论弦理论能为宇宙学做些什么。”

关键概念原来是“膜”（brane），一个嵌入在高维空间中的三维世界（这个术语，在弦理论的语言中，是“membrane”的缩写）。“我们召开会议的时候，人们才刚刚开始谈论膜，”斯坦哈特回忆道。“我和尼尔一起去听了一场演讲，演讲者把它们描述成静态物体。之后我们都问了同样的问题：如果膜能移动会发生什么？如果它们碰撞会发生什么？”

一个非凡的景象开始在两位物理学家的脑海中形成。一张纸随风飘动，就像一个二维薄膜在我们三维世界中翻滚。对于斯坦哈特和图罗克来说，我们的整个宇宙就像一张纸，或者说一个三维膜，在一个被称为“本体（the bulk）”的四维背景中移动。我们的膜并不是唯一的；还有其他的膜也在本体中移动。就像两张纸在暴风雨中可能被吹到一起一样，不同的三维膜也可能在本体中发生碰撞。

弦理论的方程表明，每个三维膜都会对本体中附近的其他膜施加强大的力。巨大的能量被束缚在这些力中。两个膜之间的碰撞可以释放这些能量。从内部看，结果就像一次巨大的爆炸。更令人着迷的是，这次爆炸的理论特征与观测到的大爆炸特性非常吻合——包括宇宙微波背景，这是宇宙早期炽热时期的余晖。“这让我们感到惊奇，因为它意味着膜的碰撞可以解释人们用来支持大爆炸的关键证据之一，”斯坦哈特说。

三年后，第二次顿悟降临：斯坦哈特和图罗克发现他们的故事在碰撞后并没有结束。“我们并没有寻找循环，”斯坦哈特说，“但模型自然而然地产生了它们。”碰撞后，能量在膜世界中产生了物质。物质随后演化成我们所知的宇宙：星系、恒星、行星，以及所有的一切。膜内的空间膨胀，起初膜之间的距离（在本体中）也随之增大。然而，当膜世界膨胀到其空间几乎完全空旷时，膜之间的引力会将这些世界膜再次拉到一起。新的碰撞发生，新的创生周期开始。在这个模型中，每一轮存在——从一次碰撞到下一次碰撞的每一个周期——持续约一万亿年。按此推算，我们的宇宙仍处于其幼年时期，仅仅完成了当前周期的0.1%。

循环宇宙直接解决了之前的问题。随着无限次的大爆炸，时间在两个方向上都无限延伸。“大爆炸不是空间和时间的开端，”斯坦哈特说。“之前存在，而且之前很重要，因为它会在下一个循环中留下印记。”

并非所有人都对这种偏离传统宇宙学思维的做法感到满意。一些研究人员认为斯坦哈特和图罗克的想法是误导甚至危险的。“有一位备受尊敬的科学家告诉我，我们应该停止，因为我们正在破坏公众对大爆炸的信心，”图罗克说。但循环宇宙的部分吸引力在于它不仅是一个美丽的构想，而且是一个可以检验的构想。

早期宇宙的标准模型预测空间中充满了引力波，这些是大爆炸后最初时刻遗留下来的时空涟漪。这些波在循环模型中看起来非常不同，而且这些差异可以被测量——一旦物理学家开发出有效的引力波探测器。“我们可能需要20年才能拥有这项技术，”图罗克说，“但原则上这是可以做到的。考虑到这个问题的重要性，我认为值得等待。”

大想法二：时间之箭

虽然循环宇宙的概念提供了一种探索大爆炸过去的方法，但一些科学家认为，斯坦哈特和图罗克回避了更深层次的起源问题。“真正的问题不是时间的开始，而是时间之箭，”加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔说。“寻找一个重复自身的宇宙正是你不想做的。循环仍然给我们一个具有明确方向的时间，而时间的这种方向正是我们需要解释的。”

2004年，卡罗尔和他的研究生詹妮弗·陈对“之前”的问题提出了一个截然不同的答案（pdf）。在他看来，时间之箭和时间的开端不能分开处理：除非我们理解为什么“之前”先于“之后”，否则无法解决大爆炸之前发生了什么。像斯坦哈特和图罗克一样，卡罗尔认为找到答案需要重新思考宇宙的全部范围，但卡罗尔不满足于增加更多维度。他还想增加更多宇宙——大量更多的宇宙——以表明，从宏观上看，时间并非流淌，而是对称地向前和向后推进。

巴伯认为时间是一种幻觉，每个时刻——每个“当下”——都以其自身的存在，完整而独立。

时间单向地流逝，总是走向未来，这是物理学中最伟大的谜团之一。支配单个物体的方程并不关心时间的方向。想象一下一部两个台球碰撞的电影；无法判断这部电影是向前播放还是向后播放。但是，如果你将数不清的原子聚集在一个像气球一样的东西里，过去和未来看起来就大不相同了。戳破气球，里面的空气分子会迅速充满整个空间；它们永远不会向后冲去重新给气球充气。

在任何这样一大群物体中，系统都倾向于平衡。物理学家用“熵”来描述系统离平衡的距离。离平衡越近，熵越高；完全平衡，根据定义，是最大值。因此，从低熵（所有分子都在房间的一个角落，不稳定）到最大熵（分子均匀分布在房间中，稳定）的路径定义了时间之箭。通往平衡的路径将“之前”与“之后”区分开来。一旦达到平衡，时间之箭就不再重要，因为变化不再可能。

“我们的宇宙已经演化了130亿年，”卡罗尔说，“所以它显然不是从平衡状态开始的。”相反，宇宙中所有的物质、能量、空间甚至时间都必须从一个熵极低的状态开始。这是我们能够以大爆炸开始并最终形成今天如此奇妙多样宇宙的唯一途径。卡罗尔认为，理解这一点，你就能理解使我们宇宙诞生的更宏大的过程。

为了展示我们的宇宙有多么奇特，卡罗尔考虑了所有其他可能构建方式。思考各种可能性，他想知道：“为什么宇宙的初始设置允许宇宙时间有一个方向？初始宇宙的设置方式有无限多种。其中绝大多数都具有高熵。”这些高熵宇宙将是乏味和惰性的；演化和变化将是不可能的。这样的宇宙无法产生星系和恒星，当然也无法支持生命。

我们的宇宙几乎就像是为了远离平衡状态而精心调整的，以便它能够拥有时间之箭。但对于物理学家来说，援引“精心调整”无异于说“奇迹发生了”。对卡罗尔来说，挑战在于找到一个过程，能够自然地解释宇宙的低熵，而无需诉诸令人难以置信的巧合，或者（更糟的是）诉诸奇迹。

卡罗尔发现这个过程隐藏在大爆炸理论最近最奇怪、最令人兴奋的阐述之一中。1984年，麻省理工学院物理学家艾伦·古斯提出，非常年轻的宇宙经历了一个短暂的失控膨胀时期，他称之为“暴胀”，这种膨胀将早期宇宙的一个小角落膨胀成了我们所看到的一切。在1980年代后期，古斯和其他物理学家，最著名的是现在斯坦福大学的安德烈·林德，发现暴胀可能在一个“永恒暴胀”的过程中反复发生。结果，像我们自己的宇宙这样的袖珍宇宙可能一直在从未暴胀的背景中涌现。这种多重宇宙不可避免地被称为多元宇宙。

卡罗尔在多元宇宙概念中找到了解决宇宙时间方向和起源的办法。早在20世纪80年代末读研究生时，他就一直在思考时间之箭的问题，当时他发表了关于利用已知物理学进行时间旅行可行性的论文。永恒暴胀表明，仅仅思考我们宇宙中的时间是不够的；他意识到他需要在更大的、多元宇宙的背景下考虑它。

“我们想知道永恒暴胀是否能向两个方向发展，”卡罗尔说。“这意味着不需要单一的大爆炸。袖珍宇宙将始终从未膨胀的背景中萌发。实现永恒暴胀所需的诀窍是找到一个通用的起点：一个容易实现、可以无限次发生并允许永恒暴胀向两个方向流动的条件。”

2004年，卡罗尔在加州大学圣巴巴拉分校著名的卡维里理论物理研究所参加为期五个月的宇宙学研讨会时，与他的学生詹妮弗·陈一起，在他的脑海中形成了一个完整的永恒暴胀理论。“你去像卡维里这样的地方，就能摆脱正常的教学责任，”卡罗尔说。“这让你有时间把事情整合起来。”在那几个月里，卡罗尔和陈描绘了一个没有开始、没有结束、没有时间之箭的奢侈多元宇宙。

“你所需要的，”卡罗尔用物理学家一贯的低调语气说道，“就是从一片空虚的空间，一小块暗能量，以及一些耐心开始。”暗能量——一种嵌入空虚空间中的隐藏能量，其存在已被最新观测有力证实——至关重要，因为量子物理学表明任何能量场都将始终产生随机波动。在卡罗尔和陈的理论中，暗能量背景的波动充当了触发新一轮暴胀的种子，从空虚空间中创造出了一批袖珍宇宙。

“其中一些口袋宇宙会塌缩成黑洞并蒸发，从而退出画面，”卡罗尔说。“但另一些会永远膨胀。那些膨胀的最终会变稀薄。它们成为新的空空间，从中可以开始更多的膨胀。”整个过程可以一次又一次地发生。令人惊奇的是，时间的方向在这个过程中并不重要。“这正是有趣的部分。你可以从你的通用起点向两个方向演化这些小小的膨胀宇宙，”卡罗尔说。在我们宇宙的超级遥远过去，在大爆炸之前很久，可能存在其他大爆炸，其时间之箭方向相反。

在最宏大的尺度上，多元宇宙就像一个相互连接的口袋宇宙泡沫，在时间上完全对称。一些宇宙向前发展，但总体而言，向后发展的宇宙数量相等。在无限宇宙的无限空间中，熵没有界限。它总能增加；每个宇宙诞生时都有进化的空间（和熵）。大爆炸只是我们自己的大爆炸，它并不是唯一的。关于“之前”的问题消失了，因为多元宇宙一直存在，并将永远存在，不断演化，但在统计意义上，始终如一。

完成与陈合作的多元宇宙论文后，卡罗尔感到一丝沮丧。“当你完成这样的事情时，喜忧参半。解决难题的乐趣在于追逐，”他说。幸运的是，他的追逐仍在继续。“我们的论文确实表达了一种少数派观点，”他承认。他现在正努力撰写后续论文，充实细节并强化他的论点。

大想法三：此时此刻最重要

1999年，当斯坦哈特和图罗克在剑桥召开会议，卡罗尔正在思索多元宇宙的意义时，反叛物理学家朱利安·巴伯出版了《时间的终结》——一份宣言，暗示解决大爆炸之前发生的事情的尝试是基于一个根本性的错误。巴伯坚持认为，没有必要为时间的开始寻找解决方案，因为时间根本就不存在。

早在1963年，一篇杂志文章改变了巴伯的生活。当时他只是一名年轻的物理学研究生，正准备去山区放松一下。“我当时在德国学习，假期带着一篇文章去了巴伐利亚阿尔卑斯山，”巴伯说，他现在71岁。“这篇文章是关于伟大的物理学家保罗·狄拉克的。他正在推测相对论中时间和空间的本质。”读完这篇文章后，巴伯心中留下了一个他永远无法放弃的问题：时间到底是什么？他无法停止思考这个问题。他走到半山腰就转身了，再也没有到达山顶。

也许有些宇宙在时间中向前移动，而数量相等的宇宙则向后移动；大爆炸只是我们自己的大爆炸。

“我知道理解我的问题需要数年时间，”巴伯回忆道。“我不可能有正常的学术生涯，一篇又一篇地发表论文，真正取得任何进展。”他以坚韧不拔的决心离开了学术物理学界，定居在英国乡村，靠翻译俄语科学期刊来养家糊口。38年后，他仍然住在同一所房子里，已经找到了足够的答案，使他从默默无闻中崛起，并引起了世界物理学界的关注。

在1970年代，巴伯开始在受人尊敬但略显非传统的期刊上发表他的想法，例如《英国科学哲学杂志》和《皇家学会会刊A辑》。他继续发表论文，最近与他的合作者、剑桥大学的爱德华·安德森（pdf）合作。巴伯的论点很复杂，但他的核心思想本身却很简单：没有时间。“如果你试图抓住时间，它总是从你指尖溜走，”巴伯带着他那迷人的英式魅力说。“我的感觉是人们无法抓住时间，因为它根本就不存在。”

艾萨克·牛顿认为时间像一条河流，在任何地方都以相同的速度流淌。阿尔伯特·爱因斯坦将空间和时间统一为一个实体，但他仍然坚持将时间作为变化的度量这一概念。在巴伯看来，没有看不见的时间之河。相反，他认为变化只是创造了时间的幻觉，每个独立的时刻都以其自身存在，完整而独立。他称这些时刻为“现在（Nows）”。

“当我们生活时，我们似乎经历了一连串的‘现在’。问题是，它们是什么？”巴伯问道。他的答案是：每个‘现在’都是宇宙中一切事物的排列。“我们强烈地感觉到事物之间有确定的相对位置。我的目标是抽象掉所有我们无法直接或间接看到的东西，只保留许多不同事物同时共存的这个想法。只有‘现在’，不多也不少。”

巴伯的“现在”可以想象成一本小说中的书页，被从书脊上撕下并随意扔在地板上。每一页都是一个独立的实体。将这些书页按特定顺序排列并一步步翻阅，会让人觉得一个故事正在展开。即便如此，无论我们如何排列这些纸张，每一页都是完整且独立的。对于巴伯来说，现实只是这些“现在”作为一个整体的物理学。

“真正让我着迷的是，所有可能的‘现在’的总和具有非常特殊的结构，”他说。“你可以把它想象成一个景观或国家。这个国家中的每个点都是一个‘现在’，我把这个国家称为‘柏拉图尼亚（Platonia）’，”这是指柏拉图关于更深层现实的概念，“因为它永恒不变，并由完美的数学法则创造。柏拉图尼亚是宇宙真正的舞台。”

在柏拉图尼亚（Platonia）中，宇宙所有可能的构型，每一个原子所有可能的位置，都同时存在。没有过去时刻流向未来时刻；关于大爆炸之前发生了什么的问题从未出现，因为巴伯的宇宙学中没有时间。大爆炸不是遥远过去的一个事件；它只是柏拉图尼亚中一个特殊的地方。

我们对过去的幻觉产生，是因为柏拉图尼亚中的每个“现在”都包含了一些在巴伯的语言中被称为“记录”的物体。“你上周的唯一证据是你的记忆——但记忆来自你大脑中现在神经元的稳定结构。我们拥有地球过去唯一证据的是岩石和化石——但这些只是我们现在检验的矿物排列形式的稳定结构。我们拥有的只有这些记录，而且我们只在此时此刻拥有它们，”巴伯说。在他的理论中，柏拉图尼亚的景观中，有些“现在”与其他“现在”相连，尽管它们都同时存在。这些链接创造了从过去到未来的序列假象，但时间并没有从一个“现在”流向另一个“现在”。

“想想整数，”巴伯说。“每个整数同时存在。但有些整数在结构上是相互关联的，就像所有素数的集合，或者你从斐波那契数列中得到的数字。”然而，数字3并不存在于数字5的过去，就像大爆炸不存在于2008年的过去一样。

这些想法听起来可能像是深夜宿舍里的闲谈，但巴伯花了四十年时间，用严谨的数学物理语言（pdf）将它们阐述出来。他将柏拉图尼亚与量子力学方程融合，设计出了一个“无变化”物理学的数学描述。巴伯正与爱尔兰合作者、爱尔兰科克国立大学的尼亚尔·奥·默查达（Niall Ó Murchadha）一道，继续重新构建爱因斯坦理论的一个无时间版本。