大爆炸之前是什么

文/阿兰·莱特曼　译/张卜天　插图/ Anusman | By Alan Lightman　Translated by Zhang Butian　Illustration by Anusman

我们可以沿着父母、祖父母和他们的父母的生命，在时间上往回一代代追溯，直至到达数万年前的某个祖先，他的基因仍在我们的身体里。我们可以沿着存在之链进一步追溯到原始人、最早的灵长类动物、在原始海洋中游泳的单细胞变形虫、大气的形成，以及气体缓慢地凝结成地球。这一切都发生了，无论我们是否想过。我们很快就意识到我们对世界的经验是多么有限。我们介于原子和星系之间的身体的所见所感不过是沧海一粟罢了。

1931年2月11日，星期三，在加利福尼亚帕萨迪纳附近威尔逊山天文台舒适的图书馆里，阿尔伯特·爱因斯坦与一个美国科学家小组交流了一个多小时。交流的主题是宇宙学，爱因斯坦准备做出科学史上的一则重大陈述。

相对论和引力理论早已得到确证，获得诺贝尔奖也已逾10年之久，此时的爱因斯坦几乎已是世界上最著名的科学家。两个月前，他的船在纽约登陆，他在日记中写道：“摄影师如饿狼一般扑向我。”

多年来，爱因斯坦一直像之前的亚里士多德和牛顿那样坚称:宇宙是一座宏伟而不朽的大教堂，一经固定即永远不变。在这幅图景中，时间从无限的过去流向无限的未来，其间几乎没有变化。1927年，一位著名的比利时科学家提出，宇宙像一个膨胀的气球那样越来越大，爱因斯坦称这个想法“很可恶”。

然而到了1931年，这位大物理学家不得不面对望远镜的观测证据，即遥远的星系正在飞驰。也许更有说服力的是，他为静态宇宙建立的数学模型就像是一支立着的铅笔，轻轻一推就开始移动。到达帕萨迪纳时，爱因斯坦已经准备承认一个不稳定的宇宙。他告诉聚集在图书馆的西装革履的人们，观测到的星系运动“像锤子一样击碎了我以前的构造”，并作了一个强调的手势。

由锤子敲出的碎片中产生了大爆炸宇宙学，它认为宇宙不是静态、永恒的，宇宙“开始”于大约140亿年前一种极高密度的状态，自那以后一直在膨胀和变稀薄。根据目前的数据，我们的宇宙将永远膨胀下去。

加州理工大学的物理学教授卡罗尔（Sean Carroll）是一个大爆炸宇宙学家，他也是自称量子宇宙学家的少数物理学家之一。他想知道大爆炸那一瞬间发生了什么，大爆炸之前是否存在时间或其他什么东西，以及如何能从过去知道未来。最近才有人认真提出物理学中的这些基础问题，就像当年笛卡尔要证明他本人的存在一样。

量子宇宙学是一种思辨性的工作，但卡罗尔解释了其诱惑所在：“它是高风险、高收益的。”在量子时期，我们尚未拥有一种关于引力、空间和时间的完整理论。然而，霍金、林德（Andrei Linde）和维兰金（Alexander Vilenkin）等头脑最敏锐的物理学家都在思考这个主题。这个领域很小，但不适合胆小的人。第一个困难是，宇宙的诞生是一次性事件，我们当时并不在场。理解宇宙的开端也需要理解所谓的量子引力：物质和能量密度极高情况下的引力是不可复制的。大多数物理学家都认为，在这个量子时期，整个可观测的宇宙还不及单个原子的1/1024。那时的温度近1033度，时间和空间像沸水一样搅动着。当然，这些事情是不可想象的。但理论物理学家们试图用笔和纸来设想它们的数学形式。我们所知道的时间就是在这个极高密度的熔核中出现的。或者时间已经存在，出现的只是指向未来的时间“箭头”。

物理学家希望在未来50年内，弦理论或其他新的理论工作能够很好地理解量子引力，包括解释宇宙是如何开始的。到那时，量子宇宙学家会用数页的计算去争论他们的假说。

当我通过Skype联系上卡罗尔时，他正穿着连帽衫和牛仔裤坐在洛杉矶家中舒适的书房，我则在马萨诸塞州康科德家中一个没住人的客房：在宇宙学意义上，我们实际上是邻居。卡罗尔既是倍受尊敬的物理学家，又能清晰地解释科学，他写过诸如“时间真的存在吗？”这样标题的科学论文，他兴致盎然地谈论了自己最喜欢的主题。49岁的他胸部发达，脸颊和下巴虚肿，红色头发，眼中流露出顽皮。

卡罗尔痴迷于宇宙的相对平滑和秩序。物理学中的秩序有具体的意义。它可以量化。此外，无序比有序可能性更大，就像一副牌一旦洗了，更可能混乱无序，而不是按照数字和花色精确排列。物理学家将这些考虑运用于整个宇宙，指出根据目前存在的物质的量，应当期待宇宙远比现在更加无序和结块化。可观测的宇宙大约包含1000亿个星系，但就足够大的空间膨胀来看，它就像海滩上的沙子一样均匀。任何大的空间体积看起来都彼此相似。物理学家说，我们更有可能看到同样的物质集中在数量少得多的超大星系中，或大型星系团中，甚至在一个巨大的黑洞中——类似于沙滩上的所有沙子都集中在少数硅巨石中。

反过来，可观测宇宙的不可能平滑，指向了大爆炸附近的异常整齐。我们不知道为什么会这样。但物理学家知道，作为低熵状态的有序和平滑是一个线索。卡罗尔说：“我坚信早期宇宙的低熵是一个谜，整个宇宙学界应当更认真地对待它。”“像这样的误解为取得新的突破提供了机会。”

卡罗尔等物理学家认为，有序与时间箭头紧密相关。特别是，时间的向前取决于有序到无序的运动。例如，一个玻璃杯从桌子上掉落，打碎在地板上，这样一部电影在我们看来是正常的；但如果我们看的电影显示，散落的玻璃碎片跳离地板，在桌边集合成杯子，我们会说这部电影是在回放。同样，干净的屋子如果无人看管，随着时间的推移会变得布满灰尘，而不是更干净。我们所说的未来越来越混乱，我们所说的过去则越来越整洁。我们很容易区分这两者，表明我们世界中的时间有一个明确的方向。时间在整个宇宙中也有一个明确的方向。星星发出光和热，慢慢把核燃料耗尽，最后变成冷渣飘浮于太空。相反的事情永远不会发生。

这使我们回到了我们宇宙的意外有序。卡罗尔与麻省理工学院的宇宙学家先驱古斯（Alan Guth）合作，提出了一种被称为“双头时间”的未发表理论。在这个宇宙模型中，时间已经永远存在。但不同于亚里士多德、牛顿和爱因斯坦所设想的静态宇宙，这个宇宙会随着时间的流逝而变化。宇宙的演化在时间上是对称的，宇宙在大爆炸之前的行为几乎是其之后行为的一个镜像。140亿年前，宇宙一直在收缩。它在大爆炸时（我们称t = 0）达到了最小尺寸，自那以后一直在膨胀。（其他量子宇宙学家也提出了类似的模型。）这就像一个弹簧落到地板上，在碰撞中达到最大压缩，然后反弹到更大的尺寸。由于量子物理学要求不可避免会有随机涨落，所以收缩的宇宙不会是膨胀宇宙的精确镜像；我们的宇宙在收缩阶段可能并不存在一个名叫艾伦·古斯的物理学家。

众所周知，在关于有序和无序的科学中，如果其他情况不变，那么更大的空间允许更多的无序，这本质上是因为有更多的地方可以分散事物。因此，较小的空间往往有更多的秩序。于是在卡罗尔和古斯的图像中，宇宙的秩序在大爆炸时最大，无论是之前还是之后，无序都在增加。我们知道，时间的前进方向是由有序到无序的运动决定的。所以未来沿两个方向从大爆炸分开。和我们一样，一个生活在宇宙收缩阶段的人在其过去看到大爆炸，死的时候，宇宙比他出生时要大。“我渐渐明白，我之所以能记住过去而不是将来，其原因最终与大爆炸时的情况有关，这真是一个惊人的顿悟，”卡罗尔说。

如果你认为时间是一条漫长的道路，大爆炸是路上的一个坑，那么此处显示未来方向的标志将会有两个箭头指向相反的方向。“双头时间”的名称正来源于此。而在介于两个箭头之间的坑本身附近，时间并没有明确方向。时间被搞乱了。在杯子和房子的亚原子版本中，玻璃碎片会跳离地面形成杯子，就像杯子落地摔碎一样频繁。无人打理的房子会变得更加整洁，就像变得更加杂乱一样频繁。对于生活在大爆炸处的任何亚原子生物来说，这两部电影看起来是同样熟悉的。

需要想象新的可能性，需要超越自己，理解周围的世界。不是在身体生存、人际关系或自我发现方面帮助我们，而是认识和理解我们所身处的这个奇特的宇宙。我们需要追问真正的大问题。这一切是如何开始的？

根据卡罗尔和古斯的说法，“双头时间”理论还可以变得更加精致和奇特。宇宙达到最小尺寸和最大秩序的那一点也许不是我们宇宙的大爆炸，而是另一个宇宙的大爆炸，后者是某种巨大的原宇宙（protouniverse）。我们的宇宙，也许还有无穷多个宇宙，都可能来自这个父宇宙，每一个宇宙都有它自己的大爆炸。从父宇宙中孕育新宇宙的这个过程被称为“永恒暴涨”。这个想法是由量子宇宙学家在20世纪80年代初提出来的。简而言之，原宇宙中一个不同寻常的能量场（不过是物理学所允许的）像反引力一样起作用，导致指数级的快速膨胀。这种不同寻常的能量场在不同的空间区域有不同的强度。每一个这样的区域都扩展到宇宙尺度，能量场变成普通物质，形成一个封闭的、完全不与孕育它的原宇宙相接触的新宇宙。

第二个主要假说是，宇宙和时间在大爆炸之前并不存在。宇宙实际上是以一个微小但有限的尺寸从无中物质化的，此后不断膨胀。在尺寸最小的那一瞬间之前并无瞬间，因为没有“之前”。同样，没有宇宙的“创造”，因为这个概念意味着在时间中行动。甚至说宇宙被“物质化”也有些误导。正如霍金所说，宇宙“既不被创造，也不被毁灭。它就存在着”。像“没有时间而存在”这样的概念在我们有限的人类经验中是无法理解的。我们甚至没有语言来形容他们。我们说出的几乎每一句话都对“之前”和“之后”有某种理解。

乌克兰科学家维兰金是最早认为宇宙可以无中生有的量子宇宙学家之一。1976年，20多岁的他来到美国，现在则是塔夫茨大学物理系的教授。炎热的7月，我去办公室拜访他，他穿着凉拖鞋和一件宽松的黑色衬衫。从他那扇窗户向外望去，是街对面一座沉闷的砖砌建筑。“我以前办公室的景色更好，”他说。一盒盒从包裹中取出的书散落在地上，书架上有女儿送给他的一个爱因斯坦玩偶。

在苏联，可能是受克格勃指使，维兰金本打算参与一个研究生物理计划，后被禁止。移居国外之前，他曾在一家动物园做守夜人，这使他有很多时间来思考宇宙学。在美国，维兰金获得了生物物理学博士学位。“当时我把宇宙学当作副业，”他说，“那并不是一个有声望的研究领域。”和许多物理学家不同，维兰金是一个严肃的人，不太开玩笑，对自己关于t = 0时的宇宙研究看得极为认真。“由量子隧穿创造一个宇宙不需要原因，”他说，“但物理定律应当是存在的。”简单地说，当时间和空间还不存在时，我们讨论“那里”是什么意思。在这方面，维兰金喜欢引用圣奥古斯丁，后者常被问及，上帝创造宇宙之前在做什么。在《忏悔录》中，奥古斯丁回答说，由于时间是上帝在创造宇宙时创造的，所以没有“之前”。

维兰金所说的量子隧穿是指量子物理学中一个怪异的现象，即微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”。那种神秘的能力已在实验室中得到证实，它源于这样一个事实，即亚原子粒子会表现得好像可以同时处在多个地方。量子隧穿在微小的原子世界很常见，但在我们的人类世界却极不可能。它在更大的尺度上从未被观察到，这解释了为什么这种现象似乎如此荒谬。但在非常接近t = 0的量子宇宙时期，整个宇宙乃是一个亚原子粒子的大小。于是，整个宇宙可能会“突然”从某个地方出现，只要那里事物肇始于无法捉摸的概率量子混沌。

说整个宇宙就像一个亚原子粒子，在量子世界中存在，这是什么意思呢？关于大爆炸附近量子时期“期间”的宇宙，加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的顶尖量子宇宙学家哈特尔（James Hartle）和霍金一道提出了最详细的模型之一。时间似乎没有出现在哈特尔和霍金的方程中。相反，他们用量子物理学来计算某些宇宙快照的概率。

虽然是量子理论专家，但哈特尔承认把量子物理学应用于整个宇宙使他困惑。“这对我来说是一个谜，”他说，“为什么我们在宇宙只有一个状态时会有量子力学。”换句话说，为什么当我们只居住在一个宇宙中时会有他样宇宙状况的可能性？这些他样状况实际存在于某个地方吗？

量子宇宙学家意识到其工作对于哲学和神学影响巨大。正如霍金在《时间简史》中所说，许多人认为，上帝虽然允许宇宙按照固定的自然定律来演化，却要在开始时给时钟上紧发条，以及选择如何发动它。霍金的理论为宇宙如何可能自行上发条提供了一个解释——他计算早期宇宙快照的方法并不依赖于初始条件、边界或任何处于宇宙本身之外的东西。量子物理学冷冰冰的定律是完全充分的。“那么，把什么地方留给造物主呢？”霍金问道。物理学家克劳斯（Lawrence Krauss）在《无中生有的宇宙》（A Universe from Nothing）一书中得出了类似的结论，他认为，量子宇宙学的进展表明，上帝在最好的情况下也是不相干的。

和大多数科学家一样，我们可能以为大多数量子宇宙学家都是无神论者。但艾伯塔大学的顶尖量子宇宙学家佩奇（Don Page）却是一个福音派基督徒。佩奇是一位计算大师。我和他曾是加州理工学院物理系的研究生同学，每当遇到一个困难的物理问题，他常常会悄悄取出一支圆珠笔，没有退缩或停顿，写下一个个极为复杂的数学方程，直到得出答案为止。虽然佩奇曾与霍金合作写过几篇重要论文，但在上帝这个主题上，他们的观点大相径庭。佩奇最近告诉我：“作为基督徒，我认为宇宙之外有一个存在者创造了宇宙万物。上帝是真正的造物主。宇宙中的一切都是由上帝创造的。”在卡罗尔博客（被称为“荒谬的宇宙”）的一个特邀专栏中，佩奇的说法听起来既像科学家又像有神论者：

我们可能会认为，如果补充假设世界（所有存在之物）包括上帝，会使关于整个世界的理论变得更加复杂，但为何会如此，其理由并不明显，因为上帝可能比宇宙更简单，所以从上帝开始要比只从宇宙开始可以得到更简单的解释。

重要的是，大多数量子宇宙学家并不相信有什么东西导致了宇宙被创造。正如维兰金对我说的，量子物理学可以假设一个没有原因的宇宙，就像量子物理学可以表明电子如何能够无原因地改变原子中的轨道一样。量子世界中并无明确的因果性，只有概率。卡罗尔这样说：“在日常生活中，我们谈论因果。但没有理由把这一思想应用到整个宇宙中去。只是说‘它就是如此’，不会使我有任何不满意。”

无原因的事件或存在状态的观念与科学格格不入。几个世纪以来，科学家一直试图把所有事件解释成之前事件的逻辑后果。佩奇认为，在我们宇宙的起源处——无论是按照双头时间模型还是按照宇宙无中生有的模型——因与果之间都没有明确区分。佩奇和其他物理学家指出，如果因果性能够消溶于宇宙起源的量子混沌中，我们就有理由怀疑它在距离大爆炸已经很久的我们这个世界中的稳固性。“宇宙中的因果性不是根本性的，” 佩奇说，“而是来自我们世界经验中的一个近似的概念。”严格的因果性可能是一种错觉，是我们的大脑、我们的科学理解世界的一种方式。但如果没有严格的因果性，我们如何能对自己的行为负责呢？因果性基础上的裂痕会对哲学、宗教、伦理造成震动。

量子宇宙学把我们引向了存在的基本问题，这些问题我们很少问。在人生短短的几十年里，我们通常的目标是在生活小屋里创造一种舒适的生存。我们吃饭、睡觉、找工作、支付账单、有爱人和孩子。有些人会建造城市或创造艺术。但如果我们拥有真正精神自由的奢侈，就可以寻得更大的关注。看看天空。空间是否永远继续下去到无限？抑或有限但无边界或边缘，如同球体的表面？无论哪种回答都令人不安，深不可测。我们是从哪里来的？我们可以沿着父母、祖父母和他们的父母的生命，在时间上往回一代代追溯，直至到达数万年前的某个祖先，他的基因仍在我们的身体里。我们可以沿着存在之链进一步追溯到原始人、最早的灵长类动物、在原始海洋中游泳的单细胞变形虫、大气的形成，以及气体缓慢地凝结成地球。这一切都发生了，无论我们是否想过。我们很快就意识到我们对世界的经验是多么有限。我们介于原子和星系之间的身体的所见所感不过是沧海一粟罢了。

20世纪40年代，美国心理学家马斯洛（Abraham Maslow）提出了人的需求层次概念。他先从最原始、最迫切的需求开始讲起，最后讲到最崇高、最先进的需求。在金字塔底部是身体生存的需求，如食物和水。接下来是安全。爱和归属感更高，然后是自尊。马斯洛所提出的最高需求是自我实现，是渴望最大限度地超越自己，成为我们所能做的最好的。我会建议在金字塔顶部再加上一个类别，甚至比自我实现还高，那就是想象和探索。推动马可波罗、达·伽马、爱因斯坦的不正是这种需求吗？需要想象新的可能性，需要超越自己，理解周围的世界。不是在身体生存、人际关系或自我发现方面帮助我们，而是认识和理解我们所身处的这个奇特的宇宙。我们需要追问真正的大问题。这一切是如何开始的？远远超出我们的生活，远远超出我们的社会、我们的国家、我们的星球，甚至是我们的太阳系。宇宙是如何开始的？能问这样的问题是一种奢侈，也是人的一种必然。