最最基本的大问题：宇宙是如何开始的？

时间有一个开始吗？如果有，它是有限的？无限的？或者是循环的？...

这是《万有理论》系列文章的第1篇。

In the beginning the Universe was created. This has made a lot of people very angry and been widely regarded as a bad move.

——Douglas Adams

宇宙从何而来？

这是世界上最大的未解之谜，它是所有其它未解之谜的根源，这些问题包括：生命是怎样起源的？什么是意识？什么是暗物质？什么是暗能量？什么是引力？等等都源自于这个最最基本的问题。

一个最简单的答案或许就是宇宙起源于一个开端。

但是如果你多思考一点就会发现，这个答案假定了一个最重要的东西，那就是宇宙有一个开端。

在很长的一段时间里，我们都不知道这样的一个开端是否是真实存在的。宇宙可以有一个开端，在那之前没有任何东西存在（至少是我们无法理解的），或者它一直都存在着，就像是沿着两边无限伸展的线，又或者它是循环的，就像圆周那样无限的自我重复。

宇宙在过去存在了无限久，突然在某个时刻开始膨胀。（© Roen Kelly）

在过去，有几个相互竞争的想法同时出现，并且都符合当时的观测。在它们之中最脱颖而出的是大爆炸理论（认为宇宙一个有限的过去）和稳恒态模型（认为宇宙有无穷的过去），而当时并没有出现一个万全的方法可以确认或驳倒它们的其中之一。

宇宙微波背景辐射。（© NASA/Goddard Space Flight Center/Princeton group 1966）

直到1960年代，当科学家在天空的所有方向都探测到了微弱的微波辐射时，所有的事情都改变了。

这个辐射的大小在所有地方、所有方向都是一样的，而且温度刚好在绝对零度之上。观测结果表明这个辐射谱非常精确地符合温度为~2.7开尔文的黑体辐射谱，这跟大爆炸理论所预测的大爆炸遗留下来的热辐射相吻合，但是跟所有其它的模型完全不一致。那个时候，我们相信宇宙有一个开端。

（© wisegeek）

根据大爆炸理论，宇宙在过去更加的小、炽热、致密以及均匀，而我们今天之所以看到这样的宇宙是因为它在不断地膨胀、冷却以及在不同的尺度下经历着引力坍缩。

宇宙中的结构形成。（© Volker Springel / Virgo Consortium）

回到宇宙演化的早期，曾经由于宇宙太热连中性原子都无法产生。而在更早的时候，由于辐射的波长随着宇宙的膨胀而被拉长，今天的我们观测到的微波辐射其实在那个时候波长是非常短的，因此光子的能量也要比物质高很多。

随着温度的降低，原子核和原子才慢慢可以形成。（© Pearson / Addison Wesley）

继续回到更早的时候，甚至连原子核都不能够产生。

而如果我们继续向前推，我们最终会到达宇宙的开端，在那个时候所有的空间都收缩到一点，我们遭遇到了所谓的“奇点”。不管那个时候是由什么形式主宰着宇宙，奇点的出现似乎无法避免！

宇宙的成长会根据不同的能量形式而有所不同。蓝色代表辐射，红色代表物质，以及黄色代表暴胀。Y轴为宇宙的大小，X轴为时间（任意单位）。（© Ethan Siegel）

奇点非常有意思，因为在这一点上，爱因斯坦的广义相对论失效了。记住，相对论是描述空间和时间的一个理论。但是在奇点上，不仅空间维度不复存在，时间也不存在了。换句话说，询问 “在那之前发生了什么？” 这样的问题变得毫无意义，这就好比是在问 “北极的北边是在哪里？” 或者当没有空间时我们问 “我们在哪里” 一样。

确实，这个论点是Paul Davies 提出来的，他认为大爆炸没有“之前”，因为大爆炸就是时间的开始。但是，跟这个论点同样有趣的是，我们现在知道大爆炸并不是时间的开端。因为当我们对微波背景辐射的测量精确度越来越提高的时候，我们发现这样一直推测至奇点是错误的。

随着探测器不断地进步，在微波背景辐射所能看到的信息也更加的精准。（© ESA/NASA/PLANCK）

在上面这张图片中，这些起伏的模式可以告诉我们宇宙早期时的许多性质：物质中的质子、中子和电子的含量，空间曲率是多少，暗物质/暗能量的成分等等。但它们也可以告诉我们宇宙在炽热、致密和膨胀状态时是否有最大温度。

普朗克卫星探测到的微波背景辐射。（© ESA and Planck）

根据WMAP的数据（以及普朗克卫星也确定了这个结果），宇宙经历的最大温度“只”达到了大约10²⁹开尔文。或许你会认为这个温度确实非常巨大，没错，我可以告诉你这个温度的确相当大。但是，要使宇宙处于奇点状态所需要的温度是这个温度的一千倍。

事实上，这就告诉了我们时间不仅不是从大爆炸开始的，而且我们也知道在大爆炸之前发生了什么：宇宙经历了一次宇宙暴胀，在那个时候空间具有的内在能量统治着宇宙，它以指数式的速度快速的驱使着宇宙膨胀。

宇宙暴胀。（© Don Dixon）

宇宙暴胀是解释大爆炸之前发生了什么的最好的一个科学理论。暴胀理论除了告诉我们这一切是从哪里来的，它还告诉了我们其它的事情，而且非常令人意外。我们首先看下宇宙在不同能量形式统治下是如何成长的：

（© Ethan Siegel）

从图中可以看出来，宇宙并不是从奇点（t=0）开始的，也就是大爆炸发生的时候，在这之前，宇宙经历了一次指数式的暴胀状态，并且维持了一段无法确定的时间。

红色“X”代表一个区域的暴胀结束，意味着会诞生出像我们这样的宇宙；没有X的区域会持续的暴胀，这个过程会一直持续下去。（© Ethan Siegel）

现在，暴胀理论也引发了一些非常有趣的问题：

首先，宇宙是在各个地方都以同样的速率发生暴胀吗？又或者其实暴胀的方式会快速的改变，并且每个地方都有所不同？

暴胀的气泡宇宙。（© Roen Kelly）

其次，暴胀会一直持续下去吗？许多暴胀理论的支持者认为暴胀的一个不可避免的结果是会产生无限多个宇宙。这是因为暴胀一旦开始，就再也不会完全停下来。在一个区域暴胀确实停止了（通过暴胀场衰变），空间和时间会轻柔地膨胀成一个气泡般的宇宙，比如我们身处的宇宙。任何其它地方，空间-时间会持续以指数式膨胀。因此永恒暴胀理论认为我们的宇宙只是无尽宇宙中的一个。

最后，今天我们知道暗能量也推动着宇宙以指数式膨胀，暴胀和暗能量之间是否有联系？暗能量膨胀有没有可能再次引起一个类似暴胀的时期，就好比是某种循环？

循环的宇宙。

从观测的角度看，我们对这些问题一无所知。在暴胀期间我们所能观测到的信息非常有限，大部分信息都被暴胀给抹除了。而在理论上，情况也好不到哪里去。有一个定理告诉我们一个暴胀宇宙是过去类时不完备的：不断膨胀的宇宙必须从一个奇点开始。

但这是否意味着暴胀宇宙不会永远持续下去，或者是否意味着我们现在所理解的物理定律不适用于回答它是否会永远持续下去，或者有个开始，或者是循环的。甚至有可能时间也是循环的，而且这个循环在每一个迭代都会改变！

上图：经典循环宇宙；下图：修正循环宇宙，每一次迭代，宇宙就会变得更大。（© Roen Kelly）

但即使我们可以将宇宙的历史一直追溯到热大爆炸时期，甚至比这更早的暴胀时期，那里也是我们知识的尽头。

时间有一个开始吗？我们不仅没有一个答案，我们也没有可以预期到的观测手段可以告诉我们，而我们目前的理论仅仅告诉我们，理论的预言能力会在什么地方失效，而不是任何其他我们想要的答案。因此，我们有三个可能性：时间是有限的，时间是无限的，时间是循环的。