若你向大多数宇宙学家问及我们这一领域目前所在何处，他们会告诉你，我们身处人类历史中一段非常特殊的时期。得益于科学技术的众多进步，我们能够以前所未有的方式观察到非常遥远又非常早期的宇宙。比如，我们可以获得宇宙幼年时期的浮光掠影，那时第一批原子正在形成。我们还可以获得宇宙青春期的剪影，那时第一批恒星和行星正在孕育中。现在我们更是能够获取宇宙完整、详细的三维图像。综合上述这些在人类历史上首次获得的各种信息，你可以得到一系列关于任何宇宙演化模型的严格限制。

回顾20世纪90年代早期关于宇宙演化的各种理论，我们近10年获得的数据已将它们一一排除，只剩下一种被视为共识的模型。这一模型结合了20世纪20年代至40年代发展起来的大爆炸模型、20世纪80年代由阿兰·古斯提出的暴胀理论，以及我将简要讨论的最近一项修正。这一共识理论与我们现在对宇宙的观测结果高度一致。因此，许多宇宙学家认为，我们终于确定了宇宙的基本历史。

但我有一种颇为不同的观点，这一观点受到了两件事的启发。第一件事就是我前面提到的最近一项修正。我必须说明的是，这项修正不仅仅是一项修正，更是对我们关于时间和宇宙历史相关概念的一次颠覆。第二件事是，近年来我从事的一项将宇宙历史搞得七零八落的替代理论的研究：所有创造了宇宙重要特征的事件以不同的顺序、不同的物理学机制，在不同的时间，以不同的时间尺度发生。并且到目前为止，这一模型似乎还能高度再现共识图景的所有成功预言。

这一图景与共识图景的关键区别可以归结到时间的本质上。标准模型，或者说共识模型，假定时间有起点，也就是我们常说的大爆炸。根据此模型，由于某些我们不甚明了的原因，宇宙突然从无到有，充满物质与能量，并在过去的150亿年持续膨胀和冷却。在替代模型中，宇宙是无限的。时间是无限的，过去无始，未来无终。事实上，贯穿宇宙演化的进程，三维空间始终无限。

更具体些，这一模型提出了一个以循环形式演化的宇宙。也就是说，宇宙经历了从热到冷，从致密到稀疏，从热辐射到我们今日所见的结构，并最终成空无的演化时期。接着，一系列事件发生，循环再次开始：空无宇宙再次被注入能量，形成了一个膨胀与冷却的新时期。这一过程永恒周期性地重复。我们现在所见证的仅仅是最近的一次循环。

循环宇宙的概念并不新颖。在有记录的历史中，人们早已思考过这个想法。例如，古印度有一套详尽的基于循环宇宙概念的宇宙学。他们预言，一次循环会持续86.4亿年，这是一个具有三位有效数字精度的预言。这令人印象极为深刻，尤其是他们当时可没有量子力学，也没有弦理论！与之不同，我认为应该是数万亿年而不是数十亿年。

在西方思想中，“循环”的概念也是反复出现的主题。例如，埃德加·爱伦·坡（Edgar Allan Poe）和尼采都有各自的循环宇宙模型。在相对论宇宙学的早期，爱因斯坦、亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）、乔治·勒梅特（Georges Lemaître）和理查德·托尔曼（Richard Tolman）也曾对循环的想法抱有兴趣。循环的概念吸引了如此多人的原因显而易见：如果宇宙有起点，你就不得不解释它为什么会开始、在什么条件下开始。如果你的宇宙是循环的、永恒的，那就不必解释起始问题了。

在将循环概念带入现代宇宙学的尝试中，若干技术难题被发现于20世纪20年代和30年代。那时的想法是，三维宇宙在时间轮回中的经历始于大爆炸的膨胀时期，又反转到终结于大挤压（Big Crunch）的压缩时期。宇宙反弹，膨胀再次开始。难题之一是，每次当宇宙挤压到极限，它的密度和温度就会提升到一个无限大的值，通常的物理学定律是否适用也难以明了。

其次，每一次膨胀挤压循环都会通过自然热动力学过程创造熵，并添加到更早循环的熵。所以，每次循环开始时的熵密度都会比前一次更高。事实证明，一次循环的持续时间与熵密度息息相关。如果熵增加，持续时间也会相应增加。因此，随着时间流逝，每次循环的持续时间都会比上一次长。但问题是，反推时间，每次循环的时间会变得越来越短，直到经过一个有限的时间，持续时间缩减到零。这样，起始难题还是没能避免，只是推迟了有限的循环次数。如果我们想要再次引入循环宇宙的概念，就必须解决这两大难题。为此，我即将描述的循环宇宙模型便应用了一些新想法。

为了理解寻找替代模型的重要意义，我们要先深入了解下共识模型。不可否认的是，共识模型的某些方面非常吸引人，然而我要强调的是，共识模型还是不够简单明了。尤其是最近的观测发现迫使我们去修正它，使其变得更加复杂。因此，我先从共识模型的综述开始说起。

共识理论以大爆炸为起点：宇宙有初始。过去50年内，人们将此作为一项标准假设。但我们现在还不能用任何物理学定律来证明这一点。此外，它不得不假设宇宙的初始能量密度低于临界值。否则，宇宙将会在进入下一个演化阶段（暴胀期）前停止膨胀并再次坍缩。还有，要进入暴胀阶段，还必须存在某种能量来驱动暴胀。一般而言，这种能量被假定为暴胀场。该理论还不得不假定，在起始值低于临界密度的宇宙各部分中，以暴胀能量的形式储存着一股不可忽视的能量。这股能量最终充满宇宙并开启加速膨胀期。上述假设都可以说是合理的，但假设也仅仅是假设。将这些假设考虑在内，我们才能更好地比较共识模型与它的挑战者。

假设这些条件全部满足，暴胀能量在瞬间超越质量和辐射。暴胀期开始，宇宙急剧加速。许多奇迹似的事情因暴胀完成：宇宙变得均匀和平坦，又留下了那么一些不均匀，进而成为星系的种子。而后宇宙又在合适的条件下准备进入下一个演化阶段。根据暴胀模型，暴胀能量衰退成物质与辐射组成的高温气体。过了差不多一秒钟，第一批轻原子核由此产生。又是数万年过去，缓慢移动的物质主宰了宇宙。就在这些阶段中，第一批原子诞生，宇宙变得透明，宇宙的结构——第一批恒星、星系形成了。目前为止，一切还相对简单。

最近的发现告诉我们，我们已进入了宇宙演化的新阶段。恒星和星系形成后，奇怪的事情发生了，这些事情导致宇宙的膨胀开始再次加速。在宇宙由质量和辐射主宰，并逐渐形成结构的过去150亿年中，由于物质和辐射的自引力吸引效应与对宇宙膨胀的对抗效果，宇宙的膨胀是在减速的。直到不久前，物质和辐射还依然被认为是宇宙的主导能量形式，而减速也将永久地持续下去。

然而，最近的观测结果却并非如此：宇宙膨胀正在加速。这意味着，宇宙中的大部分能量既非物质也非辐射，而是一种超越了物质和辐射的能量。因为缺少相应的术语，我们称之为暗能量。与我们熟悉的物质与辐射不同，暗能量具备自引力排斥效应。这就是导致宇宙加速膨胀而非减速的原因。在牛顿的引力理论中，所有质量都是引力吸引的，但爱因斯坦的理论则允许引力排斥的能量存在。

我认为，无论是物理学家、宇宙学家，还是大众，都没有真正理解这一发现的意义。从整个历史的角度来看，这是一场“哥白尼”式的革命。“革命”一词可以说源自哥白尼，他改变了人类关于空间、关于人类在宇宙中位置的认知，这是哥白尼的重要贡献。通过证明地球绕太阳旋转，哥白尼引发了一连串的思考，让人们明白人类所处的地球在宇宙中并无特殊之处。而现在，关于时间的本质，我们发现了一件很奇怪的事，即我们所处的位置并无特殊，但我们所处的时间却非同寻常。在这一时间中，宇宙膨胀由减速转为加速；曾主宰宇宙的物质和辐射迅速变得无关紧要；宇宙结构由向更大尺寸形成转变为停止形成。我们刚好处在两大演化阶段转化过程之间。正如哥白尼的地球不是宇宙中心的假设引发了一连串思想“地震”，最终改变了我们关于太阳系乃至整个宇宙的概观理解一样。毫无意外，宇宙加速膨胀的发现也许会完全改变我们对于宇宙历史的看法。这正是我们考虑替代模型的一大动因。

了解了共识模型之后，让我们再将目光投向循环宇宙假设。由于它是循环式的，所以我可以从我任意选取的点开始讨论。为了更具有对比性，我将从类似“大爆炸”的点开始说起，我称其为“爆炸”。在这一点上，宇宙在一次循环中便达到了温度和密度的最高值。与大爆炸模型不同的是，在这一情境下，温度和密度并不是发散的，而是有一个有限大的极值。尽管这一温度极高，可以达到约1020开尔文，足以将原子和原子核蒸发成它们的基本组分，但还未高至无穷。不仅如此，它事实上也远低于量子引力效应占据主导地位的普朗克能标（Planck energy scale）。爆炸之后，宇宙直接进入了一个由辐射主导的阶段。由于此图景下没有标准模型所具备的暴胀理论，我们仍需解释宇宙为何是平坦而均匀的，仍需解释导致了星系形成的涨落又来自何方。与早期暴胀解释不同，在这里我将用循环宇宙中另一不同阶段来回答这些问题。

在循环宇宙模型中，宇宙直接进入辐射主导阶段并如常形成核丰度，然后直接进入物质主导阶段，原子、星系和大尺度星系皆诞生于此，紧接着的则是一个由暗物质主导的阶段。暗物质在标准模型中“入侵”，为使理论和观测相符，我们不得不把它加进来。而在循环宇宙模型中，暗物质则是将要或者说正在驱动着宇宙以循环形式演化的核心要素。暗能量主导宇宙后做的第一件事就是我们现如今看到的：加速宇宙膨胀。为什么这一点至关重要？因为尽管这种加速比暴胀导致的加速慢了100个量级，但只要时间充足，最终仍能获得与暴胀相同的结果。随着时间流逝，这种膨胀使物质和辐射变得日益稀薄，令宇宙渐趋均匀和各向同性，并最终进入真空态。

赛斯·劳埃德曾说，我们的视界内有1080～1090个比特，但如果纵观万亿年宇宙，你会发现，平均起来你的视界内没有或者不到一个比特。事实上，当计数比特时，我们应意识到宇宙在加速膨胀，计算机实际上在失去我们视界内的比特。这就是我们观测到的东西。

宇宙在变得均匀且各向同性的同时，它也在变得平坦。可以想象，如果宇宙存在任何弯曲，即使这个过程很慢，膨胀也终究会将其扯平。如果一直这样下去，就没什么好说的了。但在这一情景下，暗能量仅存在于一个有限的时期引发了一系列事件。这些事件最终导致引力能转化为新的能量和辐射，使得宇宙开始了新一轮的膨胀。从局部观察者的视角看，这正像是宇宙经历了一次循环；也就是说，看上去像是宇宙每轮清空，然后新的物质和辐射产生并引发新一轮膨胀。在此意义上，这就是一个循环宇宙。如果从能看见整个宇宙的全局观察者的角度看，就会发现，在这个理论中，我们的三维空间是永恒且无限大的。物质在各个阶段被创造后会变稀薄，不管我们看不看得到。从局部看，宇宙像是在循环；而从整体看，宇宙是在稳定地演化，熵在这种演化的时间和空间中随着循环不断增多。

我们可以用很多种方式描述这个过程。我的选择是一种由超弦理论给出的非常漂亮的集合图景。我们只会使用非常基础的超弦理论，这样除了一些我多次提到的奇怪事情之外，你不需要了解超弦理论，也能理解我将要说的话。它们就在那儿，只等着我们去加以运用了。

超弦理论的理念之一是，其他额外维度，是使其自身在数学上连贯一致的必要基础。尤其是在其中一种构想中，宇宙共有11个维度，其中6种卷曲成微乎其微的小球，小到为了讲述我的理论，我可以假装它们并不存在。我要考虑的是三维空间、一维时间，以及一维额外维度。在这一图景中，我们熟悉并穿梭其中的三维空间，沿着一层超曲面或者说一层薄膜存在。这层薄膜是额外维度的边界。在另一边，则还有一层薄膜边界。额外维度就存在于这边界之间的特定区间内。这就好像我们处在一个夹着空间总体积（bulk volume of space）的三明治的一端。三明治的表面则被称为轨形（orbifolds）或膜（branes）。这些膜是具备物理性质的。它们有能量和动量，当被激活时会产生夸克和电子之类的东西。我们就是在这些膜之上，由夸克和电子组成的。由于夸克和轻子只能沿着这些膜运动，所以我们被限制在只能看到和移动于膜上的三维空间内。我们无法直接观察到整体或者其他膜上的任何物质。

在循环宇宙中，每过数万亿年，两层膜就会碰撞在一起。相应创造了各种产物——粒子和辐射。碰撞同时加热了膜，因此它们又再次分开。这些膜之间受到一种如同弹簧力一样的吸引，导致它们每过一定的时间就会相撞。更完整地说就是，宇宙经历两种运动阶段。当有物质和辐射存于宇宙之中，或者膜相距足够远时，主要的运动是膜的拉伸，也就等价于三维空间的膨胀。其间，膜或多或少地保持着一个固定的距离。这正是过去150亿年间所发生的事情。在这一时期，我们的三维空间会以正常速度膨胀。在一段微小距离之外，另一层膜存在并膨胀着。但我们却不能穿过主体直接接触、觉察或看到它的存在。如果那里有物质聚集在一起，我们能感受到相应的引力作用，却不能看到它所发出的光或任何其他东西。因为它所发出的任何东西都会沿着那个膜运动，而我们只能看到沿着我们的膜运动的东西。

另一个阶段，与膜间作用力相关的能量将宇宙占据。从我们的膜的视角来看，这正像是我们现今观测到的暗能量。它令膜加速拉伸直到上一次碰撞中产生的物质和辐射全部散开，膜变成基本光滑、平坦又空无的表面。你可以将它们想象成充满物质并褶皱着的曲面在接下来的数万亿年里逐渐拉伸。这种拉伸导致膜上的物质和能量逐渐变得稀薄，而膜本身也变得光滑。数万亿年后，这些膜变得绝对光滑、平坦、平行和空无。

然后，膜之间的力使得它们缓慢接近。在接近的过程中，力逐渐增强，膜因而加速接近。它们碰撞时发生的撞击非常剧烈，以致创造出极高温（但非无限高）的物质和辐射。两层膜则飞速分开，差不多回到它们原来的位置，并在物质和辐射的引力作用下，开始新一阶段的拉伸。

在这一图景中，很显然，宇宙经历了膨胀时期和一段有趣的收缩时期。两层膜聚到一起时，收缩的不是我们的维度，而是额外维度。在收缩之前，物质和辐射处于散开的状态，但与20世纪二三十年代的旧循环宇宙模型不同，由于我们的三维空间，也就是膜，保持着伸展的状态，它们并不会在收缩中聚回到一起。收缩的只是额外维度。这一过程在一次又一次的循环中不断重复。

如果将循环宇宙模型与共识图景相比较，你就会发现，暴胀使宇宙变得平坦和均匀的两大功能，都可以由现在才刚开始的加速膨胀来完成。当然，我说的实际上是在最近一次爆炸之前的上一个循环相对应的膨胀。暴胀的第三个功能——产生密度涨落，则在两层膜聚到一起时发生。当它们接近时，量子涨落导致膜开始褶皱。由于这种褶皱，它们碰撞时并不是所有位置都同时碰撞，而是有些区域要比其他区域早一些。这意味着，部分区域更早地被加热到一个有限的温度，然后开始冷却。当膜再次分开，宇宙的温度并非绝对均匀，还存在着量子褶皱留下的空间变化。

值得一提的是，尽管物理过程完全不同，时间尺度也达数十亿年而非1030秒，最终得到的能量与温度分布涨落频谱却与暴胀理论的结果基本一致。因此，循环宇宙模型也能与现在所有的温度和宇宙质量分布测量结果高度一致。

鉴于这两种模型的物理学机制颇为不同，若这两者之一是正确的，那么我们应该会有显著不同的观测结果，尽管目前还未探测到。暴胀创造的涨落不仅仅是能量和温度的涨落，也在时空本身形成了涨落，这就是所谓的引力波。大家期待在未来的几十年内能观测到引力波来证实共识宇宙模型 。在循环宇宙模型中则不会产生引力波。这一根本不同是因为产生暴胀式涨落的过程，是一种极快的剧烈过程，足够强大到产生引力波；而循环式涨落则产生于一种极慢的温和过程，其强度并不足以产生引力波。这就是两种模型给出的全然不同的观测预言的例子，只是现在还很难被观测到。

有趣的是，现在我们有两种可能的图景。一方面，它们对于时间本质、宇宙历史、事件发生顺序和时间尺度的解释截然不同；另一方面，它们对现今宇宙的预言又极为相似。最终在这两者中选择哪一种，将会结合观测（比如引力波）与理论来决定。因为这一图景的核心理念在于膜互相碰撞时发生了什么，这将在超弦理论中得到验证或证伪。与此同时，在接下来的若干年中，我们可以乐呵呵地推测这些理论的启示，以及如何将它们区分开。