大爆炸之前是什么？

1931年2月11日，星期三，在加利福尼亚州帕萨迪纳附近的威尔逊山天文台舒适的图书馆里，阿尔伯特·爱因斯坦与一小群美国科学家交谈了一个多小时。 ⁸ 正是在这场主题为宇宙学的谈话中，爱因斯坦做出了科学史上最具影响力的声明之一。他的相对论和引力理论早已得到证实，诺贝尔奖收入囊中也已有十年，此时的爱因斯坦已经是世界上最著名的科学家。（两个月前，他所乘的船只在纽约靠岸，他在日记中这样写道：“摄影记者们像饥饿的狼群般朝我扑过来。” ⁹ ）

许多年来，爱因斯坦就像他的前辈亚里士多德和牛顿一样，坚信宇宙是一座宏伟而不朽的大教堂，永远保持着原本的样子，时间从无限的过去延伸到无限的未来，并不会带来什么变化。一位俄罗斯物理学家 ¹⁰ 提出了进化宇宙论，爱因斯坦对此予以否定，认为其在形式上虽然正确，但没有任何物理学上的意义。当某位杰出的比利时科学家在1927年提出宇宙像一个膨胀的气球一样正在扩张时，爱因斯坦对此直呼“可恶” ¹¹ 。

然而，摆在这位伟大的物理学家面前的，是望远镜最近发现的证据——星系正在飞离我们。也许对他来说更有说服力的是，他的静态宇宙数学模型被证明就像一支立着的铅笔，轻轻碰一下，它就倒了。在到达帕萨迪纳时，爱因斯坦就准备好承认宇宙是处于不断变化中的。面对周围穿着西装打着领带的人，他操着浓重的德国口音说道，观察到的星系运动“像锤子一样砸碎了我原有的构想” ¹² 。说着还朝下砸了砸拳头以加重语气。而从这堆碎片中崛起的是大爆炸宇宙论：宇宙并不是静止且永恒不变的；相反，它“开始”于大约140亿年前，此后便一直在膨胀。根据目前的数据，我们的宇宙会永远膨胀下去。

加州理工学院物理学教授肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）是一名大爆炸宇宙学者。不仅如此，他也是自称“量子宇宙学家”的一小群物理学家之一。他想知道在大爆炸开始的那一瞬间发生了什么，甚至在那 之前 又发生了什么。卡罗尔和其他量子宇宙学家认为，大爆炸不仅创造了宇宙，也许连时间本身也是随着大爆炸而来的。这些理论物理学家们在纸上研究着大爆炸之前是什么（如果有的话），时间是否有起点，以及我们为什么能从过去推测出未来。这是物理学的基础问题，好比笛卡尔追寻自身存在的证据，而这些问题直到最近才被认真地提出来。它们与帕斯卡的见解不无联系——我们和宇宙是从“虚无”中诞生的。据现代宇宙学家称，整个可观测宇宙的尺寸曾一度是极其微小的。因此，帕斯卡关于无限小的想法，他所说的“虚无”，可能与我们宇宙的起源有关。

量子宇宙论是一门推测性的科学。首先，宇宙的诞生是一场只此一次的演出，而我们并没有在场观看。更重要的是，要想探寻宇宙的开端，就必须了解物质和能量在极大密度状态下的引力现象，也就是我们在《虚无与无限之间》中讲到的“量子引力”。物理学家们认为，在这一量子时代 ¹³ ，我们如今看到的 整个宇宙 比一个原子还小得多——大约是一个原子的1亿亿亿分之一（前提是宇宙确实经历了一个膨胀时代）。其温度接近10亿亿亿亿度，时间和空间如沸水一般汹涌。当然，其中的情形是难以想象的。但理论物理学家尝试着以笔、纸还有数学计算来推演它。在这一密度无法估量的小点中，我们认知中的时间以某种未知的方式诞生了。又或者，时间也许早已存在，只是从那里开始有了方向，指向未来。

物理学家希望在未来50年左右的时间里，弦理论或其他新的理论将能够可靠地解释量子引力，包括解释宇宙是如何开始的。在那之前，包括霍金、安德烈·林德（Andrei Linde）和亚历山大·维连金（Alexander Vilenkin）在内的一些最具深度影响力的物理学家就不同的假设展开了辩论，每种假说都有着大量的计算支撑。但这是一个狭窄的领域，胆小勿入。卡罗尔这样向我解释它的魅力：“高风险，高收益。” ¹⁴ 然后，我们就一头扎进了这一奇幻的兔子洞。

当我通过网络联系到肖恩·卡罗尔时，他穿着连帽衫和牛仔裤，正舒服地坐在洛杉矶家中的书房里。而我则待在家里一间并不舒适的客房中，我的家位于马萨诸塞州康科德市——毗邻着星系般浩瀚的海洋。在谈到他最喜欢的话题时，卡罗尔表现得非常轻松。他当时49岁，有着结实的胸膛和一头红发，脸颊和下巴有些赘肉，眼睛里闪烁着顽皮的学生气。他既是一位能言善辩的科学讲解人，也是受人尊敬的物理学家。他写过一些科学论文，文章都有着像《如果时间真的存在呢？》（“What If Time Really Exists?”） ¹⁵ 之类的标题，也出版过《从永恒到此刻：追寻时间的终极奥秘》（ From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time ）等畅销书。在书中，他会引用巴门尼德（Parmenides of Elea）和赫拉克利特（ Heraclitus）等古希腊哲学家的话。

卡罗尔痴迷于宇宙的相对均匀性和秩序。“秩序”一词在物理学中有着明确的含义，它是可以被量化的。相较于有序，宇宙更可能是无序的，就像一副扑克牌，一旦洗过之后，更可能出现的是杂乱的排序，而不是按数字和花色整齐地排列。同样地，物理学家们推测，考虑到可观测宇宙中的物质数量，宇宙可能比实际看起来的更加无序和不均匀。更确切地说，可观测宇宙中有大约1000亿个星系，当把其放到足够大的空间去观察时，这些星系就像从远处看到的卵石滩一样均匀，看起来相差无几。但是，物理学家们表示，相同的物质更有可能集中在为数不多的超大型星系或大型星系团中，甚至集中在某个大质量黑洞中，类似于海滩上所有的沙子都汇集在几块硅石里。

从可观测宇宙表现出的不可思议的均匀性来推测，宇宙大爆炸的中心附近区域的环境应该是异常有序的。我们尚未理解为何如此，但确实有这种可能。卡罗尔对于自己的宇宙观向来是直言不讳的，他告诉我：“我坚信宇宙初期的低熵［即高度有序和均匀］环境是一个谜题，是整个宇宙学界本应更认真对待的问题。正因存在着这种认知不足，我们才能有获得新突破的机会。” ¹⁶ 以卡罗尔为代表的部分物理学家认为，秩序与“时间箭头”（又称“时间之箭”）息息相关。从有序走向无序的运动方向，便是时间前进的方向。例如，在电影里，一个高脚玻璃杯从桌上掉下来摔碎了，我们会觉得这很正常，可如果我们看到的是散落的玻璃碎片从地上跃起，组合成一个完整的玻璃杯，完好无损地待在桌子的边缘，我们便会认为电影是在倒放。同样地，随着时间推移，干净的房间没人收拾会落满灰尘，而不是变得更加整洁。我们所说的“未来”是越来越混乱的，而“过去”则是越来越有序的。我们能够轻易地区分这两者，说明我们这个世界有一个明确的时间方向。（只有理论物理学家才会思考这种事情。）宇宙也是如此。恒星散发出热和光，慢慢消耗掉它们的核燃料，最后变成冰冷的灰烬漂浮在太空中。但相反的事情绝不会发生。

让我们回到宇宙不寻常的有序性上来。卡罗尔与麻省理工学院的宇宙学先驱阿兰·古斯（Alan Guth） 合作，提出了一个尚未发表的理论，名为“双向时间”（Two -Headed Time）理论。该理论认为，时间是永远存在的。但与亚里士多德、牛顿和爱因斯坦等人的静态宇宙模型不同的是，在这一理论中，宇宙会随着时间而改变。并且，宇宙的演变在时间上是对称的，大爆炸之前的宇宙演变与大爆炸之后的宇宙演变几乎是呈镜像的。直到大约140亿年前，宇宙一直处于收缩阶段。在大爆炸发生的那一刻，宇宙收缩到最小尺寸，之后便开始膨胀，就像会翻着跟头下楼梯的弹簧玩具一样，在碰撞时被压缩到最小，然后又会反弹回更大的尺寸。一些其他的量子宇宙学家也提出了相关模型。不过，由于在量子物理中，量子会不可避免地随机波动，所以在他们的模型中，收缩阶段的宇宙不会完全是膨胀阶段的宇宙的镜像，因此，在收缩宇宙中，可能不会存在一位名叫阿兰·古斯的物理学家。但这两种阶段的宇宙会极其相似。

关于有序和无序的科学，众所周知的一点是，在其他条件相同的情况下，空间越大则无序性越高，本质上是因为物体可以分散的地方更多。同理，空间越小则有序性越高。由此可见，在卡罗尔——古斯的科学图景中，宇宙的有序性在大爆炸那一刻达到 顶峰 ，之前和之后都在向无序状态演变。回顾一下上文：从有序走向无序的运动方向，便是时间前进的方向。因此，“未来”在时间的两个方向上都指向远离大爆炸的那一端。对于一个生活在收缩阶段的宇宙的人来说，宇宙大爆炸也发生在过去，和我们一样。他死亡之时的宇宙比他出生之时的宇宙的年龄要大，我们也是如此。

如果把时间看作一条长长的路，而大爆炸是这条路上的一个坑，坑里有一块路牌指示着去往未来的方向，你会发现，路牌有两个箭头，分别指向相反的方向。“双向时间”因此得名。而在坑中心、夹在两个相反方向的箭头之间的区域，时间没有明确的方向性，时间在此是混沌的。上文中的高脚杯和房间的故事，还有另一个亚原子版本，在这一版本中，碎片从地上跃起组成一个高脚杯与高脚杯摔碎在地上一样常见；无人打扫的房间既可能变得越来越脏乱，也可能变得越来越整洁。如果亚原子生物存在的话，无论它们看见这两幕情形中的哪一幕都不会觉得奇怪。

这是科学幻想吗？也许是，也许不是。无论对错，这些想法本身就意义深远。卡罗尔说：“我之所以能记住过去而不是记住将来，终极原因竟与宇宙大爆炸那一刻的状态有关，当理解这一点时，这种顿悟令我震惊。”

另一种主流的观点是，大爆炸之前不存在宇宙和时间。时间是伴随大爆炸出现的。这一假说的支持者认为，宇宙实际上是从虚无中产生的，它源自一个极其微小（普朗克长度）但有确切体积的小点，并在此后一直扩张。这在量子物理中是有可能的。不过在那个时候，时间还不存在。在宇宙处于最小尺寸之前，不存在任何时间，因为根本不存在“之前”这个概念。同样地，也不存在“创造”宇宙一说，因为“创造”一词本身就意味着存在时间上的先后。正如霍金所描述的：“宇宙既没有被创造，也没有被毁灭，它只是‘存在’。” ¹⁷ 霍金所说的这种“存在”，或者说“无时间状态下的存在”，以我们人类有限的经验是完全无法理解的。我们甚至找不出语言来形容它，因为我们说的每一句话几乎都包含着“ 前 ”与“ 后 ”的概念。

乌克兰科学家亚历山大·维连金是最早提出宇宙可能来自虚无的量子宇宙学家之一。1976年，20多岁的他来到美国攻读博士学位，现在的他是近波士顿市的塔夫茨大学的物理学教授。7月炎热的一天，我去他的新办公室拜访他，他穿着凉鞋和一件宽松的黑色衬衫。从他办公室唯一的一扇窗户望出去，是街对面一幢沉闷的砖房。“我以前那个办公室的视野更好。”他告诉我。 ⁸ 一箱箱刚拆开的书散落在地板上，书架上还有一个他女儿送给他的爱因斯坦玩偶。

在来美国之前，维连金在苏联申请了博士学位，但是录取资格被取消了，可能是因为克格勃（KGB）1的审查。于是，他开始在一家动物园里当看守员，这给了他足够的时间去思考宇宙学的问题。来到美国后，维连金获得的是生物物理学博士学位，而不是宇宙学。“我在业余时间研究宇宙学，”他说，“那时的宇宙学还是一个很冷门的研究领域。”维连金是一个严肃的人，不像很多物理学家那样爱开玩笑，他对待t=0的研究极其认真。“宇宙从量子隧穿（quantum tunneling）中诞生不需要任何条件，”他说，“不过那时应该已经存在物理定律了。”我们简要地聊了一下当时间和空间都尚不存在时，“那时”意味着什么，物理定律又是如何到达“那时”的。在论及这点时，维连金喜欢引用圣奥古斯丁的话。圣奥古斯丁经常被问及上帝在创造宇宙之前在做什么。在《忏悔录》（ Confessions ）中，他回答道，由于上帝是在创造宇宙的同时创造的时间，所以根本没有“之前”也没有“那时”。虔诚的天主教徒帕斯卡应该会同意圣奥古斯丁的观点，他所说的“虚无”，不仅指无限小，也指上帝在虚无中创造万物。

维连金所说的“量子隧穿”指的是量子物理中的一种幽灵般的现象，在这种现象中，物体可以完成一些奇妙的壮举，比如穿过一座山，突然出现在另一边，而无须越过山顶。这种让人费解的能力已经在实验室里得到了证实，因为亚原子粒子似乎可以同时出现在多个地方。量子隧穿常见于微小的原子世界，但在人类的眼中完全可以忽略不计，这也是为什么这种现象在我们看来如此荒谬。但在宇宙还处于量子时代，即无限接近t=0之时， 整个宇宙 只有一个亚原子粒子那般大。因此，在人类永远无法理解的量子迷雾的可能性中，整个宇宙可能在某个“瞬间”从事物起源之处出现了。（我给“瞬间”两个字加上了引号，是因为那时根本不存在时间；我刚刚反应过来，在上一句话里我又用了“那时”……）

整个宇宙就像一个亚原子粒子，存在于魔幻的量子世界中，这是什么意思？任职于加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的著名量子宇宙学家詹姆斯·哈特尔（James Hartle）与霍金一起开发了世界上最细致的宇宙模型之一，用以描绘大爆炸伊始处于量子状态的宇宙。在哈特尔和霍金的方程式中，时间是不存在的，作为替代，他们利用量子物理来推测初生宇宙可能具备的某些特征。

尽管哈特尔是世界级量子理论方面的专家，但他也承认自己对量子物理是否能应用于整个宇宙而感到困惑。“这对我来说是个谜，”他告诉我，“当宇宙只有一种状态时，我们还要量子物理干什么？” ¹⁹ 也就是说，当我们的宇宙只存在一种条件时，为什么还会有其他条件下的可能性？那些潜在的条件是否真的存在于其他宇宙的某个地方？

量子宇宙学家并非没有意识到他们的研究在哲学和神学领域引起的巨大反响。正如霍金在他的《时间简史》中所说的，许多人相信，上帝在规定宇宙按照固定的自然法则演变的同时，也负责在一开始给时钟拧上发条并决定其如何运转。霍金的理论提出了一种推测“早期”宇宙概貌的方法，这种方法不依赖于“初始条件”、边界或者其他任何宇宙之外的东西，从而为宇宙是如何启动的提供了一种可能的解释。在这一方法中，只需用到量子物理的冰冷法则就完全足够。“那么，造物主在哪里呢？”霍金问道。 ²⁰ 物理学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）也得出了类似的结论，他写了一本书，名为《无中生有的宇宙》（ A Universe from Nothing ），并在书中声称，量子宇宙论的进步表明，上帝与之毫不相干。

人们会想当然地认为，大部分量子宇宙学家和大多数科学家一样都是无神论者。但唐·佩奇（Don Page）显然是个例外，他既是阿尔伯塔大学的前沿量子宇宙学家，也是一位福音派基督徒，还是一位计算大师。我和他是加州理工学院物理系的博士生同学，那时，每当遇到复杂的物理难题，他就会不声不响地掏出纤细的圆珠笔，然后一头钻进数学的密林中，写下一个又一个潦草的方程式，直到得出答案。虽然他与霍金合作完成了一些重要的论文，但他们在关于上帝的问题上产生了分歧。佩奇最近对我说：“作为一名基督徒，我相信在宇宙之外有着一个创造出宇宙及一切事物的存在。上帝才是真正的造物主。整个宇宙都出自上帝之手。” ²¹ 而在肖恩·卡罗尔的博客（《荒谬的宇宙》， The Preposterous Universe ）的客座专栏中，佩奇的言论听起来就像科学家和有神论者在同时发声。“有人可能会认为，上帝存在的假说会使宇宙相关的理论变得更复杂，但事实并非如此，因为上帝或许比宇宙更简单，以上帝为出发点展开研究，会比单纯研究宇宙更可能得到简单的解释。” ²²

值得注意的是，大多数量子宇宙学家不相信宇宙的诞生是由什么东西导致的。正如维连金对我说的那样，量子物理可以推导出一个不需要起因的宇宙——就像其展现了原子内的电子是如何毫无缘由地改变轨道一样。量子世界中不存在明确的因果关系，只存在可能性。卡罗尔是这样解释的：“在日常生活中，我们会谈论前因后果。但我们不必将这种思维应用到整个宇宙之中。‘宇宙就是如此’，我觉得这样说没有任何不妥。” ²³

这种没有缘由的事件或状态，与科学长期以来形成的理念背道而驰。几个世纪以来，科学一直在尝试着将所有的事件解释为先前事件的逻辑结果。佩奇则认为，宇宙起源之时（无论是在时间混沌的“双向时间”模型里，还是在“无中生有”模型中）的起因和结果没有明确的区别。佩奇和一些物理学家们认为，如果因果关系在宇宙起源之时的量子迷雾中消融了，那我们生活的世界里的因果关系还可靠吗？虽然如今的世界与大爆炸在时间上相隔久远，但二者肯定同属于一个现实之中。“因果关系不是宇宙的基本法则，”佩奇说道，“它只是我们从经验中总结出来的粗略的概念。” ²⁴ 绝对的因果关系可能只是一种错觉，是我们的大脑和科学用以理解世界的一种方式。

我们似乎遭受了猛烈一击。因果关系这块基石之上出现裂缝，会给哲学、宗教、伦理学等诸多其他领域带来震动。如果没有绝对的因果关系，那我们人类该如何做决定呢？先前的事件和条件，与突然的冲动，甚至是无因可循的行为之间又是什么关系呢？责任制呢？做决定是微妙而又复杂的心理过程，倘若前因后果只是一种模糊的关系，而我们又不知道它的触发临界点在哪里，那我们的决定将因为没有确切的依据而显得脆弱不堪。

量子宇宙论引导我们去思考存在的根本，去问出那些我们很少会想到的问题。我们大多数人的目标，是在不过百年或者更短的一生中，在一幢小小的房子里创造舒适的生活。我们吃饭，睡觉，工作，付账单，有爱人和孩子。有些人建设城市或者创造艺术。但在享受奢华的心灵自由的同时，还有更重要的事情值得关注——仰望天空。空间会永远延伸直至 无限 吗？又或者，其实它是有限的，但没有边界或边缘，就像球体的表面？这两个问题的答案都令人不安，且难以理解。我们的太阳和地球从何处而来？我们又从哪里来？很快，我们便会意识到自己对周遭世界的经验是多么有限。我们以介于原子和恒星之间的身躯所看到和感受到的，不过只是波谱的一小段，现实的一角。

20世纪40年代，美国心理学家亚伯拉罕·马斯洛（Abraham Maslow）提出了“人类心理需求层次”的概念：最底层是最原始、最迫切的需求，最高层则是底层需求得到满足的幸运者们的最崇高、最卓越的需求。金字塔的最底部是满足生存条件的物质需求，如食物和水。往上是对安全的需求。再往上是爱和归属，然后是自尊，最后是自我实现的需求。马斯洛所提出的需求的最高层次是充分发掘自身，成为最好的自己。我认为，金字塔的顶端之上还应再加一层：想象与探索——想象新的可能性的需求，超越自己，进而探索周遭世界的需求。这种需求不正是驱动马可·波罗、达·伽马和爱因斯坦取得成就的动力之一吗？我们不仅要满足自身对物质生存条件、人际关系或发掘自我价值的需求，更要认知、理解我们身处的这个陌生宇宙，探索量子宇宙学家们提出的那些真正重大的问题的答案。这一切是如何开始的？答案远远超脱于我们的生活，远远超脱于我们的社区、国家、地球，甚至太阳系。宇宙是怎么诞生的？能够提出这样的问题对人类来说是一种奢侈，但又何尝不是一种需求。 opiKatgE1R0tpik92+Xrow2tVyMIXtAzuMjqFPK8HTYa87sh2ryQyO0hP7GlMGRE