宇宙和时间的起点是什么？
探索大爆炸之前发生了什么的新思潮，其实只是几千年来理性钟摆的最新摆动。几乎在每一个文明中，终极起源的问题都会让哲学家和神学家忙个不停。它所关心的问题铺天盖地，著名的出现在保罗·高更的名画1897:我们从哪里来？我们是什么？我们要去哪里？这部作品描绘了出生、衰老、疾病和死亡的循环:每个人的起源、身份和命运，而这种对个体的关注直接关系到宇宙的命运。人类可以追根溯源，可以追溯自己的祖先，可以跨代，可以回到我们的动物祖先，可以追溯到生命的早期形态和最初生命，然后回到原始宇宙中的合成元素，再回到更早的空间中的缥缈能量。我们的系谱树还能这样没完没了地走下去吗？还是会在某个地方结束？宇宙和人类一样，不是永恒的吗？
古希腊人对时间的起源进行了激烈的争论。亚里士多德主张万物不可生，却站在了时间没有起点的阵营。如果宇宙不能无中生有，那它一定一直存在于过去。根据这些理论，时间必须向过去和未来无限延伸。基督教神学家倾向于采取相反的观点。奥古斯丁坚持上帝存在于时空之外，创造了时空和整个世界。有人问:上帝在创造这个世界之前在做什么？奥古斯丁回答:时间本身就是上帝创造的产物之一，所以没有先前！
爱因斯坦的广义相对论让当代宇宙学家得出了几乎相同的结论。广义相对论认为空间和时间是柔软的、可塑的实体。在大尺度上，空间本质上是动态的，会随着时间膨胀或收缩；它携带物质的方式与波浪携带漂浮物的方式相同。在1920年代，天文学家观察到遥远的星系正在相互远离，从而证实宇宙正在膨胀。然后，物理学家斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯在1960年代证明了时间不可能一直倒流。如果在宇宙的历史中倒退，所有的星系最终都会挤进一个无穷小的点(称为奇点)，这和它们掉进黑洞的意思差不多。每个星系或其前身都被压缩到零大小，而密度、温度和时空曲率等物理量则变得无限大。奇点是宇宙万物的起点。超过这个极限，我们的宇宙谱系树就不能再延伸了。
宇宙是同质的？
这个不可避免的奇点给宇宙学家带来了一个令人不安的严重问题。特别是，奇点似乎与宇宙在大尺度上的高度均匀性和各向同性相矛盾。因为宇宙在大尺度上到处都是一样的，信息必须以某种方式在遥远的地区之间传递，以协调它们的属性。然而，这与旧的宇宙学规范相矛盾。
具体来说，我们来想想在宇宙释放微波背景辐射后的过去654.38+037亿年里发生了什么:由于宇宙的膨胀，星系之间的距离增加了654.38+0000倍，而哈勃体积的半径增加了654.38+百万倍(因为光速超过了宇宙的膨胀速度)。我们今天看到的宇宙，很大一部分是我们在6543.8+037亿年里看不到的。的确，在宇宙历史上，这是第一次来自最遥远星系的光到达银河系。
尽管如此，银河系的性质和那些遥远的星系基本相同。就像去参加一个聚会，发现自己和十几个朋友穿一样的衣服。如果只有两个人穿一样的衣服，可以用巧合来解释。但如果十几个人穿一样的衣服，那很可能是他们提前约好的。在宇宙学中，这个数字不是十几个，而是几万个——这是全天微波背景下的天空区域的数量，它们彼此独立，但在统计上是相同的。
一种可能是这些空间区域在诞生之初就被赋予了相同的属性，换句话说，这种一致性只是一种巧合。然而，物理学家提出了两种更自然的方法来摆脱僵局:让早期宇宙要么比标准宇宙小得多，要么老得多。在任何条件下(或两者兼有)，都有可能实现各种空间区域之间的互联互通。
目前最流行的方式是第一种方式。假设宇宙在早期经历了一次快速膨胀，称为暴胀。在暴胀之前，星系或它们的前身都紧密地挤在一起，因此它们的性质很容易协调。在暴胀阶段，由于光速赶不上暴胀速度，他们失去了联系。暴胀结束后，膨胀速度开始放缓，于是星系逐渐恢复联系。
物理学家将膨胀释放的能量归因于大爆炸后大约10*-35秒，一个新的量子场充气机中存储的势能。势能不同于静能和动能，能产生引力排斥效应。通常的物质引力会减缓宇宙的膨胀，但暴胀会加速宇宙的膨胀。1981年暴胀理论问世，至今已解释了许多精确的观测结果[见1984年第9期艾伦·H·古斯和保罗·J·斯坦哈特撰写的《爆炸的宇宙》和2004年第4期特别报道《打开宇宙的四把钥匙》]。然而，还有一系列潜在的理论问题没有得到解决。第一件事是，什么是膨胀场？而如此巨大的初始势能从何而来？
第二种方式是快乐？你是不是渐渐不行了？嘿嘿？黄文彬的剑鞘加诖 蟊？ǎ?哎？贝壳的秘密是什么？贾？啊？钪女仆鸵鸟丫？你想和我一起玩吗？敲两下以示酡之和，5霓奔胡焉，约其旱，而无极之帽？ᅌ搜信咳嗽硬币芽？贾鲁是否记录了他对频率容忍的热情？水獭？
假设相对论在推导过程中总是有效似乎是有问题的。当接近普遍公认的奇点时，量子效应必然变得越来越重要，甚至起主导作用。正统相对论并没有考虑到这种效应，因此得出奇点不可避免的结论无疑是对相对论的过度信仰。为了找出到底发生了什么，物理学家必须将相对论纳入量子引力理论。这个任务是爱因斯坦之后物理学家们头疼的问题。直到1980年代中期，进展几乎为零。
弦理论的革命
现在，有两个好方案。第一种叫做环圈量子引力，它完全保留了爱因斯坦理论的精髓，但改变了程序以满足量子力学的条件[见2004年第三期李·斯莫林写的文章《量子化的时空》]。在过去的几年里，圈量子引力的研究者们取得了很大的进步，获得了非常深刻的认识。然而，也许传统理论的革命还没有深入到解决引力量子化的根本问题。类似的问题发生在1934年，当时恩利克·费密提出了他的弱核力有效性理论，这让粒子物理学家们很紧张。所有建立量子费米理论的努力都悲惨地失败了。因此，真正需要的不是一种新的分支技能，而是60年代末格拉肖、史蒂芬·温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆的电弱理论带来的根本性革新。
第二个是弦理论，我觉得更有前途。弦理论彻底改变了爱因斯坦的理论，本文将重点讨论它。尽管环圈量子引力的支持者声称他们已经得出了许多相同的结论。
弦理论诞生于1968，这是我用来描述核子(质子和中子)及其作用力的模型。虽然一开始引起了不小的轰动，但这个模型最终失败了，让位给了量子色动力学。后者用更基本的夸克来描述核子，弦理论则被抛弃。夸克被困在质子或中子中，就好像它们被橡胶绳绑在一起一样。现在回想起来，原来的弦理论其实已经掌握了核世界中弦的元素。沉寂一段时间后，弦理论通过结合广义相对论和量子理论卷土重来。
弦理论的核心概念是，基本粒子不是点，而是无限精细的一维实体，也就是弦。在庞大的基本粒子家族中，每一个粒子都有自己的特性，这些特性体现在一根弦的各种可能的振动模式中。这样一个看似简单的理论怎么能描述粒子及其作用力的复杂世界呢？答案可以在我们所谓的量子弦魔术中找到。一旦量子力学应用到振动的弦上(就像小提琴弦一样，只不过其上的振动以光速传播)，全新的性质就出现了。所有这些性质对粒子物理学和宇宙学都有深远的意义。
首先，量子弦的尺度是有限的。如果不考虑量子效应，一根小提琴弦可以一分为二，再一分为二，以此类推，直到变成一些无质量的点粒子。但如果分割到一定程度，海森堡的测不准原理就会介入，防止最轻的弦被分割到10*-34米以下。这个不可分割的长度量子，用ls表示，是弦理论引入的一个全新的自然常数，与光速C和普朗克常数h并列，它在弦理论的几乎所有方面都起着决定性的作用，为各种物理量设置上限和下限，防止它们变为零或无穷大。
其次，即使没有质量的量子弦也可以有角动量。在经典物理学中，角动量是物体绕轴旋转的一种性质。角动量的计算公式是速度、质量和物体到旋转轴的距离的乘积，所以没有质量的物体不可能有角动量。但是在微观世界，因为量子涨落，情况就不一样了。即使微小的弦没有质量，也能获得不超过2h的角动量。这个性质让物理学家惊喜不已，因为它与所有已知基本力载体(如传播电磁力的光子或传播激发子的引力子)的性质不谋而合。回顾历史，是角动量让物理学家注意到弦理论包含了量子引力。
第三，量子弦需要在通常的三维之外增加额外的空间维度。古典小提琴弦可以不受时空性质的限制而振动，而量子弦则关键得多。要使描述量子弦振动的方程自洽，时空必须是高度弯曲的(这与观测结果相矛盾)，否则它应该包含六个额外的空间维度。
第四，物理常数(出现在物理方程中，决定自然性质的常数，如牛顿常数、库仑常数)不再有任何给定的固定值。它们在弦理论中以场的形式出现，就像电磁场一样，它们的值可以动态调整。这些场在不同的宇宙时期或遥远的空间区域可能取不同的值；即使在今天，这些常数也可能略有变化。只要观察到任何这样的变化，都将是弦理论的一大进步【相关文章即将在本刊发表】。
所谓的膨胀子场是整个弦理论的关键，它决定了所有力的总强度。弦论者对膨胀子特别感兴趣，因为它的量级可以重新解释为一个额外空间维度的尺度，从而给出一个11维度的时空。
紧固松动的头部
量子弦让物理学家终于认识到自然界中存在一种新的重要对称性，叫做对偶性，它改变了我们对尺度非常小的微观世界的直觉。我提到了一个二元性:通常情况下，弦越短，弦越轻，但如果我们要把弦的长度缩短到基本长度ls以下，弦又会变重。
另一种对称，叫做t对偶，指出所有的额外维度都是等价的，不管它们的尺度如何。这种对称性的出现是因为弦的运动可能比点粒子的运动更复杂。考虑圆柱空间中的封闭弦(称为圆)。这个空间的圆形截面代表一个有限的额外维度。弦除了振动，还可以整体绕圆柱体旋转，也可以绕圆柱体一圈或几圈，就像橡皮筋绕在纸筒上一样[见第40页]。
在这两种状态下，弦的能量消耗与圆柱尺度有关。缠绕能量与圆柱体的半径成正比。圆柱体越大，弦被拉伸得越多，因此它在缠绕中包含的能量就越多。然而，当整个弦绕圆柱体运动时，它的能量与圆柱体的半径成反比。圆柱体越大，波长越大(相当于频率越低)，所以能量越小。如果用大圆柱代替小圆柱，那么两种运动状态可以互换角色。以前圆周产生的能量现在是缠绕产生的，以前缠绕产生的能量是圆周运动产生的。外部观察者只看到能量的大小，看不到它的来源。对于外部观察者来说，圆柱的半径在物理上是等价的，与它的大小无关。
t-对偶通常用一个圆形空间来描述(这个空间的一维，也就是圆周是有限的)，但它的一个变体适用于通常的三维空间，这个空间的每一维都可以无限延伸。在谈论无限空间的膨胀时要小心。无限空间的总大小不会改变；永远是无限的。但这个空间所包含的星系等天体，彼此之间的距离却可以越来越远。从这个意义上说，无限空间还是可以扩展的。关键变量不是整个空间的大小，而是它的标度系数，即衡量星系间距离变化的数值，表现为天文学家观测到的星系红移。根据T对偶，尺度系数较小的宇宙等价于尺度系数较大的宇宙。爱因斯坦的方程中没有这种对称性；弦理论实现了相对论和量子论的统一，这种对称性自然脱颖而出，而膨胀器在其中起到了关键作用。
多年来，弦论者认为T-对偶只适用于闭弦，不适用于开弦(开弦的两端是松的，所以这样的弦不能缠绕。)1995，加州大学圣巴巴拉分校的joseph Polchinski认识到，如果当半径由大变小或由小变大时，弦两端的条件相应变化，那么T对偶适合开弦。之前物理学家假设的边界条件是弦的末端不受任何力的影响，可以自由左右摆动。t对偶要求这些条件成为所谓的狄利克雷边界条件，即端点处于固定状态。
任何给定的字符串都可以有两种边界条件。例如，一个电子对应的弦的端点可能在10个空间维度中的三个维度上自由移动，但在其他七个维度上是固定的。这三个维度构成了一个叫做狄利克雷膜(D膜)的子空间。1996年，加州大学柏克莱分校的彼得·霍拉瓦和美国普林斯顿高等研究院的爱德华·威滕提出，我们的宇宙就位于这样一层膜上。电子和其他粒子只能在某些维度上运动，这也解释了为什么我们无法欣赏到整个10维的太空风景。