烧脑科普：大爆炸是如何从虚无中产生的？

物理学家布莱恩·考克斯（Brian Cox）在最近的BBC连续剧《宇宙》（Universe）中发出了这样的警告。最后一颗恒星的消失，只是一个无限漫长黑暗时代的开始。所有的物质最终都将被巨大的黑洞吞噬， 而黑洞又会蒸发成最微弱的光芒。

空间会不断向外扩张，直到昏暗的光线也会扩散到无法相互作用的程度。活动将停止。

真的会这样吗？ 奇怪的是，一些宇宙学家认为，像我们遥远未来的这样一个寒冷、黑暗、空无一物的宇宙，可能就是我们自己的大爆炸的源头。

第一件事

但在此之前，我们先来看看“物质（material）” —— 物理物质 —— 是如何产生的。如果，我们的目标是解释由原子或分子组成的稳定物质的起源，那么在大爆炸时期，甚至在之后的几十万年里，肯定都没有这些东西。

事实上，我们确实有相当详细的了解，一旦条件冷却到足以使复杂物质稳定下来，最初的原子是如何由简单粒子形成的，以及这些原子后来是如何在恒星内部融合成更重的元素的。但这种理解，并不能解决某些东西是否从无到有的问题。

让我们再往回想。第一批寿命最长的物质粒子是质子和中子，它们共同组成了原子核。它们是在大爆炸后的万分之一秒左右出现的。

在此之前，确实没有任何熟悉的词义上的材料。 但是物理学让我们继续追溯时间线 —— 追溯到任何稳定物质之前的物理过程。

这就把我们带到了所谓的“大统一时代”。到目前为止，我们已经很好地进入了推测物理学的领域，因为我们无法在实验中产生足够的能量，来探测当时正在发生的过程。

但一种看似合理的假设是，物理世界是由一堆短命的基本粒子组成的，包括夸克，它是质子和中子的基础。

物质和“反物质”的数量大致相等：每一种物质粒子，比如夸克，都有一个反物质的“镜像”伴侣，它与自身几乎相同，只是在一个方面有所不同。然而，当物质和反物质相遇时，它们会在瞬间的能量中湮灭，这意味着这些粒子会不断地诞生和毁灭。

但这些粒子最初是如何存在的呢？量子场论告诉我们，即使真空，也被认为是空的时空，也充满了能量波动形式的物理活动。这些波动会使粒子突然出现，但不久就会消失。

这听起来像是数学上的怪癖，而不是真正的物理学，但这样的粒子已经在无数的实验中被发现。

时空真空状态沸腾着，粒子不断地被创造和毁灭，显然是“无中生有”。但也许这一切真正告诉我们的是，量子真空（尽管它的名字）是“有”，而不是“无”。

哲学家大卫·阿尔伯特（David Albert） 曾对大爆炸理论提出过令人印象深刻的批评，这些理论声称可以以这种方式无中生有。

假设我们问：时空本身又是从哪里产生的？然后，我们可以继续把时钟拨回更远的地方，回到真正古老的“普朗克时代” —— 这是一个宇宙 历史 上最早的时期，以至于我们最好的物理理论都崩溃了。

这个时代只发生在大爆炸后万亿分之一秒的千万分之一。在这一点上，空间和时间本身就受到量子涨落的影响。

物理学家们通常分别研究量子力学和广义相对论，前者控制着粒子的微观世界，后者适用于大的宇宙尺度。但要真正理解普朗克时代，我们需要一个完整的量子引力理论，将两者结合起来。

可是，我们仍然没有一个完美的量子引力理论，但已经有了一些尝试 —— 比如弦理论和圈量子引力论。在这些尝试中，普通的空间和时间通常被视为涌现的，就像深海表面的波浪一样。

我们所经历的空间和时间，是在更深层、微观层面上运行的量子过程的产物 —— 这些过程对我们这种扎根于宏观世界的生物来说没有多大意义。

在普朗克时代，我们对空间和时间的普通理解崩溃了，所以我们也不能再依赖于我们对因果关系的普通理解。

尽管如此，所有量子引力的候选理论都描述了普朗克时代发生的一些物理现象 —— 普通时空的某种量子先驱。但这是从哪里来的呢？

即使因果关系不再适用于任何普通方式，仍然有可能用另一种方式解释普朗克时代宇宙的一个组成部分。 不幸的是，到目前为止，即使是我们最好的物理学也无法完全提供答案。 在我们朝着“万有理论”取得进一步进展之前，我们将无法给出任何明确的答案。

在这个阶段，我们最多可以自信地说，物理学到目前为止还没有发现，任何从无到有的证实实例。

几乎从零开始循环

要真正回答万物如何从无到有的问题，我们需要解释普朗克时代开始时，整个宇宙的量子状态。

所有这样做的尝试都是高度投机的。他们中的一些人像设计师一样诉诸超自然的力量。但其他候选解释仍属于物理学领域 —— 比如包含无限多个平行宇宙的多元宇宙，或者宇宙的循环模型，重生和再生。

2020年诺贝尔奖获得者、物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）提出了一个有趣但有争议的循环宇宙模型，称为“共形循环宇宙学”。

彭罗斯的灵感来源于一个有趣的数学联系，即宇宙的一个非常热、非常稠密、非常小的状态（就像在大爆炸时那样）和一个非常冷、非常空、非常膨胀的状态（就像在遥远的未来一样）之间的联系。

他解释这种对应关系的激进理论是，当这些状态达到极限时，这些状态在数学上变得相同。 尽管看起来很矛盾，但物质的完全缺失可能会导致我们在宇宙中看到的所有物质。

在这种观点下，大爆炸几乎是从虚无中产生的。 这就是当宇宙中的所有物质都被吞噬成黑洞时剩下的东西，而黑洞又被蒸发成光子——消失在虚空中。

因此，从另一个物理的角度来看，整个宇宙都是从某种近乎于虚无的东西中产生的。但“没有”仍然是一种东西。它仍然是一个物理宇宙，尽管它是空的。

同样的状态怎么可能从一个角度看是一个冷而空的宇宙，从另一个角度看又是一个热而密的宇宙呢？答案在于一种名为“共形缩放”的复杂数学程序，这是一种有效地改变物体大小，但保持其形状不变的几何变换。

彭罗斯展示了冷致密态和热致密态是如何通过这种缩放方式联系在一起的，从而使它们在时空的形状上相匹配 —— 尽管大小不同。诚然，很难理解两个大小不同的物体为什么会以这种方式相同。但彭罗斯认为，在这样极端的物理环境中，大小这个概念已经失去了意义。

在共形循环宇宙学中，解释的方向是由老、冷到新、热：热密态因冷空态而存在。但这个“因为”不是我们所熟悉的那种 —— 一个原因在一段时间后会产生结果。在这些极端的状态中，不仅大小不再重要，时间也一样。

冷致密态和热致密态实际上位于不同的时间线上。从观察者自己的时间几何的角度来看，冷空的状态将永远持续下去，但它所产生的热稠密的状态实际上占据了一个完全属于它自己的新时间线。

它可能有助于理解以某种非因果方式从冷空态产生的热致密态。 或许我们应该说，热稠态是从冷态、空态中出现，或立足于，或由冷态、空态来实现的。

这些独特的形而上学思想已经被科学哲学家广泛地 探索 过，特别是在量子引力的背景下，普通的原因和结果似乎是破碎的。在我们知识的极限，物理学和哲学变得难以区分。

实验证据呢？

正形循环宇宙学，为我们的大爆炸从何而来的问题提供了一些详细的（尽管是推测性的）答案。但是，即使彭罗斯的观点被宇宙学未来的发展所证实，我们可能会认为，我们仍然没有回答一个更深层次的哲学问题 —— 一个关于物理现实本身从何而来的问题。

整个循环系统是如何产生的？然后，我们最终以一个纯粹的问题结束：为什么会有东西，而不是什么都没有 —— 这是形而上学中最大的问题之一。

但我们这里的重点是仍然停留在物理学领域内的解释。对于周期是如何开始的这个更深层次的问题，有三个广泛的选择。

它可能根本没有物理上的解释。或者可能存在无穷无尽的循环，每个宇宙都有自己的权利，每个宇宙的初始量子状态都可以用之前宇宙的某些特征来解释。或者存在一个循环，一个重复的宇宙，这个循环的开始可以用它自己的结束来解释。

后两种方法避免了对任何无因事件的需要 —— 这赋予了它们独特的吸引力。没有什么是物理学无法解释的。

彭罗斯设想了一系列无休止的新循环，部分原因与他自己对量子理论的首选解释有关。在量子力学中，一个物理系统同时存在于许多不同状态的叠加中，当我们测量它时，只会随机“选择一个”。

对于彭罗斯来说，每个周期都涉及以不同方式发生的随机量子事件 —— 这意味着每个周期都将与其前后不同。 这对实验物理学家来说实际上是个好消息，因为它可能让我们通过普朗克卫星观测到的大爆炸剩余辐射中的微弱痕迹或异常，一瞥产生我们的旧宇宙。

彭罗斯和他的合作者相信，他们可能已经发现了这些痕迹，并将普朗克数据中的模式，归因于先前宇宙中超大质量黑洞的辐射。然而，他们声称的观测结果受到了其他物理学家的挑战，陪审团仍然悬而未决。

无休止的新周期是彭罗斯自己愿景的关键。但有一种自然的方法可以将共形循环宇宙学从多循环形式转换为单循环形式。那么，物理现实就是这样一个循环：在大爆炸的过程中，在遥远的未来进入一个最大限度的空虚状态，然后再次循环到同样的大爆炸，再次产生同样的宇宙。

后一种可能性与量子力学的另一种解释是一致的，被称为“多世界解释”。多世界解释告诉我们，每次我们测量一个处于叠加状态的系统时，这个测量不会随机选择一个状态。相反，我们看到的测量结果只是一种可能性 —— 在我们自己的宇宙中也存在这种可能性。

其他的测量结果都以多元宇宙的形式出现在其他宇宙中，实际上与我们自己的宇宙隔绝了。因此，无论某件事发生的几率有多小，如果它有非零的几率，那么它就会发生在某个量子平行世界中。

在另一个世界里也有和你一样的人，他们中了彩票，或者被一场反常的台风卷到云中，或者自燃，或者同时做了这三件事。

有些人相信这样的平行宇宙也可以在宇宙学数据中观测到，因为另一个宇宙与我们的宇宙碰撞时留下的印记。

多世界量子理论给共形循环宇宙学带来了新的转折，尽管彭罗斯并不赞同。我们的大爆炸可能是一个量子多重宇宙的重生，它包含无限多个不同的宇宙，所有这些宇宙都在一起发生。任何可能发生的事情都有可能发生 —— 然后它会一次又一次地发生。

一个古老的神话

对于神话爱好者来说，彭罗斯的愿景是美丽的。 在彭罗斯偏爱的多循环形式中，它承诺从祖先的灰烬中诞生无穷无尽的新世界。 在它的单循环形式中，它是对衔尾蛇（Oroboros）的古老思想的一次惊人的现代重新调用。

在北欧神话中，巨蛇耶梦加得（J?rmungandr）是聪明的骗子洛基和巨大的安格博达的孩子。 耶梦加得吃了自己的尾巴，而创造出的圆圈，维持着世界的平衡。 但是，衔尾蛇的神话在世界各地都有记载，甚至可以追溯到古埃及。

单循环宇宙的衔尾蛇确实是雄伟的。它的腹部包含我们自己的宇宙，以及量子物理学所允许的每一个奇怪而美妙的替代宇宙 —— 在它的头部与尾部相遇的地方，它是完全空的，但也充满了温度为10亿摄氏度的能量。