烧脑科学:宇宙大爆炸是如何从虚无中产生的？
空间会不断向外扩张，直到昏暗的光线扩散到无法相互作用的地步。活动将停止。
这真的会发生吗？奇怪的是，一些宇宙学家认为像我们遥远的未来这样一个寒冷、黑暗和空虚的宇宙可能是我们自己的大爆炸的来源。
第一件事。
但在此之前，我们先来看看“物质”——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，那么这些东西在大爆炸时期肯定是不存在的，甚至在几十万年后也不存在。
事实上，一旦条件冷却到足以稳定复杂物质，我们对最初的原子是如何从简单粒子形成的，以及这些原子后来是如何在恒星内部合并成更重的元素的，我们已经有了相当详细的了解。但这种认识并不能解决一个事物是否从无到有的问题。
让我们再回想一下。第一个寿命最长的粒子是质子和中子，它们一起构成了原子核。它们出现在大爆炸后约十分之一秒。
在此之前，真的没有关于词义的熟悉材料。但是物理学让我们回到时间线——回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“大一统时代”。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检测当时正在发生的过程。
但一个看似合理的假设是，物理世界由一堆短命的基本粒子组成，包括夸克，这是质子和中子的基础。
物质和反物质的数量大致相当:物质的每一个粒子，比如夸克，都有一个反物质“镜像”伴星，与自身几乎相同，但有一个方面不同。但是当物质和反物质相遇时，会在瞬间能量中湮灭，也就是说这些粒子会不断诞生和毁灭。
但是这些粒子最初是如何存在的呢？量子场论告诉我们，即使是被认为是空的时空的真空，也充满了能量涨落形式的物理活动。这些波动会让粒子突然出现，但很快就会消失。
这听起来像是一个数学怪癖，而不是真正的物理学，但在无数的实验中发现了这样的粒子。
时空的真空状态是沸腾的，粒子不断被创造和毁灭，这显然是“无中生有”。但或许这一切真正告诉我们的是，量子真空(尽管名字如此)是“存在”，而不是“被存在”。
哲学家大卫·艾伯特曾经对大爆炸理论提出了令人印象深刻的批评，该理论声称可以通过这种方式无中生有。
假设我们问:时空本身从何而来？然后，我们可以继续把时钟拨得更远，回到真正古老的“普朗克时代”——宇宙史上最早的时期，让我们最好的物理理论都崩塌了。
这个时代只发生在大爆炸后的万亿分之一秒。此时，空间和时间本身受到量子涨落的影响。
物理学家通常分别研究量子力学和广义相对论。前者控制粒子的微观世界，后者适用于大的宇宙尺度。但是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来把两者结合起来。
然而，我们仍然没有一个完美的量子引力理论，但我们已经做了一些尝试——比如弦理论和圆量子引力理论。在这些尝试中，普通的空间和时间通常被认为是新兴的，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次和微观层面上运行的量子过程的产物——这些过程对我们植根于宏观世界的生物来说意义不大。
在普朗克时代，我们对空间和时间的共同理解崩溃了，所以我们不能再依赖于我们对因果关系的共同理解。
尽管如此，所有量子重力的候选理论都描述了一些发生在普朗克时代的物理现象——某种普通时空的量子先驱。但是这是从哪里来的呢？
即使因果关系不再适用于任何普通的方式，仍然有可能用另一种方式解释普朗克时代宇宙的一部分。不幸的是，到目前为止，即使我们最好的物理学也无法提供完整的答案。在我们朝着“万物理论”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，我们可以很有信心地说，物理学到目前为止还没有从零开始找到任何被证实的例子。
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态。
所有这样做的尝试都是高度投机的。他们中的一些人求助于像设计师这样的超自然力量。但其他候选解释仍然属于物理学领域——比如包含无限平行宇宙的多元宇宙，或者宇宙的循环模型，重生与再生。
2020年获得诺贝尔奖的物理学家罗杰·彭罗斯提出了一个有趣但有争议的圆形宇宙模型，被称为“共形圆形宇宙学”。
彭罗斯的灵感来自于一个有趣的数学联系，即宇宙的一个非常热、非常密、非常小的状态(如在大爆炸中)和一个非常冷、非常空、非常膨胀的状态(如在遥远的未来)之间的联系。
他解释这种对应的激进理论是，当这些状态达到极限时，它们在数学上变得相同。虽然看起来很矛盾，但是物质的完全不存在可能导致我们在宇宙中看到的所有物质。
在这种观点下，大爆炸几乎来自于虚无。这就是当宇宙中所有的物质都被黑洞吞噬，黑洞蒸发成光子——消失在虚空中时所剩下的东西。
所以，从另一个物理角度来说，整个宇宙是从一个接近于虚无的东西中产生的。但是“没有”仍然是一个东西。它仍然是一个物质宇宙，尽管它是空的。
同一个状态，怎么可能从一个角度看是冰冷空虚的宇宙，从另一个角度看又是炽热致密的宇宙？答案就在一个叫做“保形缩放”的复杂数学程序中，保形缩放是一种几何变换，可以有效地改变物体的大小，但保持其形状不变。
彭罗斯展示了冷密态和热密态是如何通过这种标度方法联系起来的，从而使它们在空间和时间的形状上相互匹配——尽管它们的大小不同。诚然，很难理解为什么两个大小不同的物体以这种方式是相同的。但彭罗斯认为，在这样一个极端的物理环境中，大小的概念已经失去了意义。
在共形循环宇宙学中，解释的方向是从旧、冷到新、热:热密态的存在是因为冷空态。但这个“因为”并不是我们所熟悉的——一个原因会在一段时间后产生结果。在这些极端状态下，不仅大小不再重要，时间也不再重要。
冷密态和热密态实际上位于不同的时间线上。从观察者自身的时间几何来看，冷而空的状态会一直持续下去，但它产生的热而密的状态实际上占据了一个完全属于自己的新的时间线。
以非因果的方式理解由冷空态产生的热密态可能会有所帮助。也许我们应该说，热密态是从冷空态出现的，或者是以它为基础的，或者是由冷空态实现的。
这些独特的形而上学思想被科学哲学家们广泛探索，尤其是在量子引力的背景下，共同的因果似乎被打破了。在我们知识的极限下，物理学和哲学变得难以区分。
实验证据呢？
共形循环宇宙学为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。然而，即使彭罗斯的观点被宇宙学的未来发展所证实，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——一个关于物理实在本身从何而来的问题。
整个循环系统是怎么形成的？然后，我们最后得出一个纯粹的问题:为什么有而不是没有——这是形而上学最大的问题之一。
但我们这里的重点是仍然停留在物理领域的解释。对于周期如何开始这个更深层次的问题，有三个宽泛的选择。
它可能根本没有物理解释。或者可能有无穷无尽的循环，每个宇宙都有自己的权利，每个宇宙的初始量子态都可以用前一个宇宙的一些特征来解释。或者有一个循环，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因果事件的需要——这给了它们独特的吸引力。没有什么是物理解释不了的。
彭罗斯构想了一系列无尽的新循环，部分原因是他自己偏爱的量子理论解释。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。我们在衡量的时候，只会随机“二选一”。
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前一个不同。这对实验物理学家来说其实是个好消息，因为它可能让我们一窥普朗克卫星观测到的大爆炸残余辐射中的微弱痕迹或异常，这种残余辐射产生了我们的旧宇宙。
彭罗斯和他的合作者认为，他们可能发现了这些痕迹，并将普朗克数据中的模式归因于之前宇宙中超大质量黑洞的辐射。然而，他们声称的观察结果受到了其他物理学家的挑战，陪审团仍然悬而未决。
永无止境的新循环是彭罗斯自己设想的关键。但是有一种自然的方法可以将共形圆宇宙学从多循环形式转化为单循环形式。那么，物理现实就是这样一个循环:在大爆炸的过程中，在遥远的未来会进入一个最大的空无状态，然后再次循环到同一个大爆炸，再次产生同一个宇宙。
后一种可能性与量子力学的另一种解释一致，被称为“多世界解释”。多世界解释告诉我们，我们每次测量一个处于叠加态的系统，这个测量不会随机选择一个态。相反，我们看到的测量只是一种可能性——它也存在于我们自己的宇宙中。
其他测量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是隔离的。所以，无论一件事情发生的概率有多小，如果它有非零的概率，那么它就会发生在量子平行世界中。
在另一个世界，有和你一样的人。他们中了彩票，或者被一场异常的台风卷进了云层，或者自燃，或者三件事同时发生。
有些人认为，由于另一个宇宙与我们的宇宙碰撞留下的印记，这样的平行宇宙也可以在宇宙学数据中观察到。
多世界量子理论给共形圆宇宙学带来了新的转折点，尽管彭罗斯并不认同。我们的大爆炸可能是一个量子多元宇宙的重生，它包含无限多个不同的宇宙，所有这些都一起发生。任何可能发生的事情都可能发生——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，彭罗斯的愿景是美好的。在彭罗斯喜欢的多循环形式中，它承诺从祖先的灰烬中创造一个无尽的新世界。在它的单循环形式中，它是对Oroboros古老思想的惊人的现代回忆。
在北欧神话中，大蛇耶梦加得(J？Rmungandr)是聪明的骗子洛基和巨人安杰波达的孩子。耶梦加得吃了自己的尾巴，创造了一个圆圈，维持了世界的平衡。然而，蛇的神话在世界各地都有记载，甚至可以追溯到古埃及。
单循环宇宙中的章鱼真的是气势磅礴。它的肚子里包含了我们自己的宇宙和量子物理允许的每一个奇怪而奇妙的替代宇宙——在它的头尾交汇处，它完全是空的，但它也充满了能量，温度高达654.38+0亿摄氏度。