根据已有的物理学知识,我们知道了宇宙不仅有限大,还在不断地加速变大,宇宙的年龄在138亿岁左右,并且宇宙诞生于一场大爆炸。也就是说,我们知道了宇宙的起点和宇宙的现状。如果把时间箭头推向极早的过去和极远的未来,我们不禁要问两个终极问题:宇宙在诞生之前是什么?宇宙的未来会如何?它会一直膨胀下去吗?还是宇宙会来到一个终点,经历某种死亡呢?
关于这两个问题,物理学还没有给出确切的答案。人类到现在还没有出过太阳系,物理学也不过存在了几百年时间而已,我们要如何去讨论138亿年以前和几百亿年以后的事情呢?
但是霍金(Stephen Hawking)给出了一个颇具哲学感的答案,也有少许物理理论支撑,那就是著名的无边界宇宙模型(Hartle-Hawkingstate)。
无边界宇宙模型首先回答了第一个问题,就是宇宙大爆炸之前是什么。
霍金的答案是这个问题问得就不对,因为从大爆炸开始,时间和空间才诞生。既然要问之前和之后,就已经假设时间存在了。 如果大爆炸之前时间还不存在的话,就根本不存在“之前”的问题 。
无边界宇宙模型给出了一个对于宇宙时空的描述。我们可以把时空想象成一个球体的表面,比如地球表面。问大爆炸之前是什么,就好像在问,地球上比北极更北的地方是哪里?这个问题是不成立的,因为北极已经是地球上最北的地方了。站在北极往任何一个方向走,都是向南移动。
宇宙大爆炸伊始,时间和空间才诞生,宇宙开始膨胀,就好像从北极点开始向南走。沿着时间的箭头,宇宙一路膨胀下去。
之后来到第二个问题:宇宙的未来是什么样的?会无限膨胀下去吗?
无边界宇宙模型认为,随着时间的推移,宇宙会膨胀到一个极限。到了极限之后,时间开始倒流,宇宙就开始收缩,再回到大爆炸时候的状态,变为一个奇点。然后再开始一次新的大爆炸,如此循环反复。
就好像一个人从北极出发,一路向南走,走到南极就不能再往南走了。南极就对应于宇宙膨胀所能达到的极点。到了南极之后再往下走,任何一个方向都是往北,对应着宇宙膨胀到极点以后开始收缩,时间开始倒流。
这就是无边界宇宙模型对宇宙前世今生的描述。从这个模型来看,我们的宇宙被牢牢地约束在时空的范围之内, 因为没有时空,就不存在万物 。从哲学角度看,这大概涉及人类的精神是如何认识世界的。我们的精神是构建在时空基础之上的,如果不谈时空,便不在我们的认知范围内,对我们来说就是不可知的。
既然不可知,强行去讨论时空框架以外的东西,就没有任何意义。
关于时间倒流的问题,无边界宇宙模型也没有给出清晰的定义。因为人类的认知模式让人类无法用感官去理解所谓的时间倒流,人类的精神只能感知时间的单向流动。
亚里士多德(Aristotle)认为:所谓时间,不过是人类的记忆。正因为我们有记忆,才能感受到时间的存在。
如果抛开人类对于时间的感知,甚至可以说时间并无正向、逆向之分。所有时间点和所有空间位置都在那里,只是人的意识只能以时间正向流淌的方式来感知世界。人类会觉得时间和空间是完全不同的东西,因为空间可以用感官去感受,而时间的流逝只能体现为人的记忆。
从物理学的角度来看,一个电子在时间正向流动的情况下,从A运动到B,这个过程也可以理解为在时间倒流的情况下,一个带正电的正电子[(positron),即电子的反粒子(anti-particle)]从B运动到了A,这两个物理过程完全是等价的。时间的流动方式对于一个电子来说,是无所谓正向还是逆向的。
在物理学的框架中,尤其是在微观世界,时间跟空间其实是等价的。时间跟空间一样,都可以用坐标来标记位置,时间只不过是微观粒子的第四个坐标而已。既然时空等价,为什么我们的物理学还要把它们区分开呢?这就回到我们在序言里讲过的,先归纳、再演绎、后验证的认知过程。
物理学的原理必须从观察和归纳中得来,但是在更高级的科学领域,比如相对论和量子场论,甚至最尖端的弦理论、量子引力力学,时间和空间已经不做明显区分了,时间坐标和空间坐标一样,只以坐标的形式体现。