大爆炸之前是什么？

这是宇宙学最基本的问题：宇宙是如何开始的？

这个问题预设宇宙有一个实际的起点，但人们也可以同样地认为宇宙一直存在并将永远存在。在这种情况下，根本就没有开始——只有一段我们只是瞥见一隅的不断演变的故事。

“我们有很好的证据表明存在大爆炸，所以我们所知的宇宙几乎肯定是在大约140亿年前开始的。但这是否是绝对的开始，或者在此之前还有什么？”塔夫茨大学（波士顿附近）的宇宙学家亚历山大·维连金问道。这似乎是一个永远无法真正回答的问题，因为每次有人提出解决方案，总会有人不停地问那个恼人的问题：那之前发生了什么？

但现在维连金说他手头有令人信服的证据：宇宙有一个明确的开端——尽管他无法确定具体时间。他回顾了35年，他说，他发现我们的宇宙之前什么都没有，甚至连时间本身都没有。

在他的整个职业生涯中，包括他执掌塔夫茨宇宙学研究所的20多年里，维连金提出了一系列狂野、令人眼花缭乱的想法，尽管从外表看他既不狂野也不令人眼花缭乱。这位64岁的教授说话轻声细语，身材匀称，体格适中。他穿着整洁，颜色中性、低调，不引人注目。

尽管维连金举止低调，近乎沉默，但他是一位富有创造力的思想家，他不断找到方法穿透围绕着一些最难想象的难题的迷雾——这些成就为他赢得了世界各地学者的尊重。“亚历克斯是一位非常有创意和深刻的思想家，他对我们关于宇宙起源的观念做出了重要而深刻的贡献，”斯坦福大学宇宙学家安德烈·林德说。

然而，这段辉煌的职业生涯可能从未发生。维连金于1949年出生在苏联，在乌克兰城市哈尔科夫长大。高中时，他阅读了亚瑟·爱丁顿爵士的一本书，了解了大爆炸后，便迷上了宇宙学。维连金说，他对宇宙起源的“痴迷”“从未离开过我。我觉得，如果你能研究这个可能是所有问题中最引人入胜的问题，为什么还要选择研究其他任何东西呢？”

维连金说，他在哈尔科夫国立大学读本科时，有人建议他“做一些真正的物理学”，而不是追求他的初恋——宇宙学。尽管他是一名优秀的学生，但他无法进入任何物理学研究生课程，他怀疑是因为克格勃将他列入黑名单，因为他拒绝成为政府告密者。相反，维连金被迫从事一系列平淡无奇的工作。有一段时间他在夜校教成人，但后来离开了那个职位，因为他的职责包括去缺席学生的家里，其中许多人是酒鬼，试图把他们拉到学校——这是一项令人羡慕的任务。

他做了大约一年半的夜班看守，其中包括在哈尔科夫动物园的一段时间。为了保护动物（有时它们会被捕猎作为食物），他得到了一支他不知道如何使用的步枪，幸运的是他从未开过枪。在那些漫长的夜晚，他有空时会学习物理，这项爱好包括阅读阿尔伯特·爱因斯坦的四卷文集。当有人决定——也许是根据他的阅读材料选择——他这项任务过于胜任时，他被解雇了。

随着他的就业前景黯淡，他决定移民到美国；他想他会先洗盘子，同时尝试进入学术界。但离开苏联需要一个精心设计的计划：像他这样的犹太人被允许以小批量、按配额前往以色列，但首先必须获得以色列亲戚的邀请。维连金在那里没有实际亲戚，所以他联系了一位在以色列认识朋友的朋友，最终找到了一位——一个陌生人——好心地代他写了一封信。

信寄到后，他等了一年才拿到签证，但代价巨大。在维连金和他的妻子离开之前，他们的父母必须同意他们的搬迁。为了给予许可，他妻子的父母失去了他们的实验室工作。他的父亲，一位大学教授，后来也失去了工作。前往以色列的传统中途站是维也纳，但维连金、他的妻子和一岁的女儿却没有去维也纳，而是于1976年抵达罗马。他们在罗马会见了美国领事馆，在等待了三个月后，终于获得了美国签证。

回到大爆炸

1977年秋，维连金在凯斯西储大学获得博士后职位，他本应在那里研究受热金属的电学性质。然而，他仍然抽时间研究旋转黑洞及其神秘的磁场。一年后，他获得了幸运的机会，塔夫茨大学为他提供了一个为期一年的访问职位。他冒险投入到宇宙学领域，这在当时被认为是一个边缘领域。

这种情况很快就会改变。1979年末，斯坦福大学的物理博士后艾伦·古斯对大爆炸背后的爆炸力提出了一个解释。古斯的智力飞跃源于粒子物理学理论，该理论认为在极高能量下——远高于实验室所能达到的能量——一种特殊物质状态会使引力颠倒，使其成为一种排斥力而非吸引力。

一片含有微量这种不寻常物质的空间会剧烈地相互排斥，以至于真的爆炸了。古斯认为，这种巨大的爆发引发了大爆炸，使宇宙迅速膨胀，其大小至少增加了100倍。然而，这种指数级增长的爆发——称为宇宙暴胀——是短暂的，只持续了极短的时间，因为排斥物质迅速衰变，留下了今天充满宇宙的更常见的物质和能量形式。

这个想法同时解决了宇宙学中的许多难题。它解释了大爆炸背后的“爆炸”来自何处，以及宇宙是如何变得如此巨大的。各个方向的快速暴胀也解释了我们现在观测到的宇宙为何如此均匀，以及原始爆炸遗留的背景辐射温度在天空的每个区域都均匀到十万分之一。暴胀也重振了宇宙学，给维连金这样的理论家提供了大量的思考——并赢得了一些额外的尊重。

永无止境的故事

到1982年，古斯突破两年后，维连金自己也有了一个认识：暴胀过程必须是永恒的，这意味着一旦开始，它就不会完全停止。暴胀可能在空间的某个区域突然结束，例如我们居住的区域，但它会在其他地方继续，引发一系列永无止境的大爆炸。每一次爆炸都对应着一个独立的“口袋”宇宙的诞生，这可以被想象成一个不断膨胀的泡泡——在“多元宇宙”（有时如此称呼）中漂浮的无数泡泡之一。

在维连金看来，暴胀的永恒性源于宇宙燃料的两个相互竞争的特性，即导致宇宙快速膨胀的排斥引力物质。一方面，这种物质不稳定，很像放射性物质，因此注定会衰变。另一方面，这种物质膨胀的速度远快于衰变的速度，所以即使衰变可能在某些区域停止了暴胀，失控的增长仍会在其他区域继续。

打个比方，维连金提出了一团细菌，它们想要不断繁殖和生长，而杀菌抗体则试图抑制这种生长。如果细菌繁殖的速度远快于它们被消灭的速度，它们就会迅速繁殖和扩散，即使它们的繁殖可能在某些区域受挫。无论从哪个角度看，最终结果都是膨胀（或细菌生长）不会在所有地方同时结束，并且总是在多元宇宙的某个部分持续进行——即使你正在阅读这本杂志。

为了更好地理解这种现象，维连金于1986年与塔夫茨大学研究生穆昆达·阿亚尔合作进行了一项计算机模拟，展示了一个永恒膨胀的宇宙可能是什么样子。在他们的模拟中，膨胀区域或气泡从小开始并稳步增长，而气泡之间的空间也随之拉伸。每个气泡——代表一个像我们这样的迷你宇宙——都被更小的气泡包围，而这些更小的气泡又被更小的气泡宇宙所包围。

永恒之路

在维连金的泡泡宇宙中，暴胀在定义上是向未来永恒的。一旦启动，它就不会停止。但它是否也向过去永恒？宇宙是否曾有不膨胀的时候？如果宇宙一直在膨胀，一直在扩张，这是否意味着宇宙本身是永恒的，没有开端？

为了解决这个问题，维连金与古斯和长岛大学数学家阿文德·博德合作。他们利用数学证明论证说，任何像我们这样的膨胀宇宙都必须有一个开端。他们提出的思想实验是这样的：想象一个充满粒子的宇宙。随着它稳步膨胀，粒子之间的距离不断增大。由此可知，散布在这个膨胀宇宙中的观察者会彼此远离，直到最终他们占据了广阔分散的空间区域。如果你碰巧是这些观察者之一，那么物体离你越远，它远离的速度就越快。

现在，我们引入一个以固定速度在太空中穿梭的太空旅行者：他以每秒10万公里的速度掠过地球。但是当他到达下一个星系时，该星系正以例如每秒2万公里的速度远离我们，那么那里的观察者会认为他只以每秒8万公里的速度移动。随着他继续向外飞行，他经过的观察者会认为太空旅行者的速度越来越慢。现在我们倒着播放这个电影。这次，太空旅行者的速度在每个连续的星系中都会显得越来越快。

如果我们假设暴胀是向过去永恒的——也就是说它没有开端——那么太空旅行者最终将达到并超过光速。博德、古斯和维连金的计算表明，这将在有限的时间内发生。但根据相对论定律，任何有质量的物体都无法达到光速，更不用说超过光速了。“这不可能发生，”维连金说，“所以当你追溯这位太空旅行者历史的时候，你会发现他的历史必须有一个终点。”

这位旅行者在时间回溯中遇到障碍的事实意味着，从逻辑角度来看，基于这个完整情景的永恒膨胀宇宙的假设存在问题。换句话说，宇宙不可能永远都在膨胀。它的膨胀必须有一个开端，而暴胀——一种特别具爆炸性的宇宙膨胀形式——也必须有一个开端。按照这个逻辑，我们的宇宙也有一个开端，因为它是由一个在未来永恒但并非过去永恒的暴胀过程所产生的。

无中生有

一个有开端的宇宙提出了一个令人困惑的问题：它究竟是如何开始的？维连金的答案绝未得到证实，也许永远也无法证实，但这仍然是他迄今为止听到的最好的解决方案：也许我们奇妙、光荣的宇宙完全是从无中自发产生的。这个异端说法与常识相冲突，但不可否认的是，当谈到宇宙的诞生——一个被认为发生在深不可测的高能量事件——常识会失效。它也与2000多年前罗马哲学家卢克莱修的观点相悖，卢克莱修曾论证“无中不能生有”。

当然，卢克莱修从未听说过量子力学和暴胀宇宙学，这两门20世纪的领域挑战了他大胆的论断。“我们通常说无中不能生有，因为我们认为这会违反能量守恒定律，”维连金解释道，这是一项神圣的物理学原理，认为能量既不能被创造也不能被毁灭。那么，你如何在以前什么都没有的地方创造一个含有物质的宇宙呢？

“宇宙解决这个问题的方法是引力能量是负的，”维连金说。这是数学上已证明的事实的一个结果，即封闭宇宙的能量为零：物质的能量为正，引力的能量为负，它们总是相加为零。“因此，从无到有创造一个封闭宇宙不会违反任何守恒定律。”

维连金的计算表明，从无到有创造的宇宙可能非常微小——比质子还要小得多。如果这个微小的领域只含有少量排斥引力物质，那就足以确保它会点燃永恒暴胀的不可阻挡过程，从而形成我们今天居住的宇宙。如果这个理论成立，我们的存在归功于最卑微的起源：无。

如果这张图景是正确的，那么它的一个优点是，我们宇宙的自发产生为事物提供了一个明确的起点。时间始于创生之时，从而解决了关于“在那之前发生了什么”的可能永无止境的问题。

然而，这个解释仍然留下了一个巨大的谜团未解。尽管在维连金的方案中，宇宙可以从无中产生，即没有空间、时间或物质，但在那之前，有些东西是存在的——那就是物理定律。这些定律支配着“无中生有”的创生时刻，从而产生了我们的宇宙，它们也支配着永恒暴胀，后者在时间的第一纳秒接管。

这引发了一些令人不安的问题：在存在宇宙可供应用之前，物理定律存在于何处？它们是否独立于空间或时间存在？“物理定律从何而来，这是一个巨大的谜团。我们甚至不知道如何着手解决它，”维连金承认，“但在暴胀理论出现之前，我们甚至不知道如何着手解决暴胀理论后来解决的问题。所以谁知道呢，也许我们也能突破这个障碍。”

在克林特·伊斯特伍德的电影《紧急追捕令》中，哈里·卡拉汉说：“人必须知道自己的极限”，但维连金的工作证明了超越传统极限。如果我们像维连金经常那样，在怀疑和质疑面前坚持不懈，那么有趣和意想不到的想法很可能会出现——就像一个宇宙凭空冒出来一样。

消除漏洞

漏洞 #1

为了支持他的假设，维连金研究了其他模型宇宙，排除了与清晰的宇宙开端概念相矛盾的漏洞。在2012年与塔夫茨大学研究生奥黛丽·米塔尼合写的一篇论文中，维连金研究了普林斯顿大学物理学家保罗·施泰因哈特和现在在圆周理论研究所的尼尔·图罗克所研究的“循环”宇宙。

在这个模型中，既没有单一的大爆炸，也没有单一的开端。相反，宇宙不断经历膨胀、收缩、塌缩和重新膨胀的振荡循环。但问题是，循环宇宙会遇到热力学第二定律，该定律指出封闭系统的熵或无序性将不可避免地随时间增加。

例如，一座华丽的砖砌豪宅是高度有序的，而一堆散落在地上的砖头——自然灾害和数十年乃至数百年疏于维护的结果——则更加无序。而当砖头本身风化后，被风和水散布的砖尘则更加无序。如果任其发展，一个系统——即使是一个泡沫宇宙——也会自然地走向无序。我们很少看到一座砖砌豪宅从分散的尘埃中自发地重新组装起来。

如果我们的宇宙一直存在并保持稳定大小，它也将屈服于第二定律。无序性将不可避免地增加，以至于宇宙现在将是一个平滑、没有特征的模糊。但这根本不是我们所看到的。相反，我们看到一个充满宏伟宇宙结构的宇宙——星系、星系团、被称为超星系团的星系团以及被称为星系丝的超星系团的星系团——其中一些跨越十亿光年甚至更远。

因此，维连金排除了循环宇宙的设想，除非人们额外假设在每个膨胀和收缩周期之后，宇宙最终会比开始时更大一些。这项规定将使我们得到另一个膨胀的宇宙，这意味着最初的博德-古斯-维连金定理仍然适用：一个不断膨胀的宇宙必须有一个单一的开端。

漏洞 #2

另一个可能的漏洞是“宇宙蛋”情景，这是南非宇宙学家乔治·埃利斯等人提出的一种宇宙模型。根据这种观点，宇宙可以永远处于稳定的配置中，具有固定的大小和半径，直到它突然开始膨胀——就像一个异常长的孵化期后，蛋孵化出来一样。

根据维连金和米塔尼的说法，这个提议的问题在于，那个小而“稳定”的宇宙根本就不那么稳定。如果在漫长的等待阶段的某个时候，它会在达到膨胀期之前坍缩成虚无——如果量子力学定律是可信的话。

量子力学是描述原子尺度事物如何运作的主流物理学分支，它经过了极其完善的检验，也极其诡异。量子力学认为，如果某事发生的可能性哪怕再小，无论听起来多么荒谬，只要你等待足够长的时间，那件事就一定会发生。

事实证明，量子力学公式预测宇宙蛋宇宙坍缩到零大小的可能性很小（但非零），届时这个曾经的宇宙将完全消失。考虑到无限的时间跨度，这正是宇宙蛋情景所要求的，这样的坍缩将是不可避免的——即使在任何一个特定时间发生的几率很小——这意味着宇宙不可能永远存在。

事实上，维连金说，在我们迄今为止构想的所有无始宇宙概念中，没有一个似乎是可行的。“所以，宇宙是否有开端这个问题的答案是肯定的，它很可能有一个开端。”

本文最初以“起点”为题发表在印刷版上。