乌龟塔

这一段关于我女儿的故事直指“无穷倒退”的概念，即因果链中的每一个元素都有前因。最终，我们的问题可能会是：“大爆炸的起因是什么？”假设我能给出这个问题的答案，你的下一个问题可能就是：“是什么引起了大爆炸的起因？”于是，我们就陷入了无穷倒退的循环。在另一则故事中，“无穷倒退”的概念可以概括为“一直向下的乌龟塔”，也就是说，地球被驮在一只乌龟的背上，这只乌龟又被驮在另一只乌龟的背上，如此无限延伸下去，永无止境。我认为，尽管现代宇宙学凭借着海量的数据、复杂的数学模型和高性能的望远镜建立了庞大的体系，但是其哲学本质与这种“乌龟塔”的解读并无二致。

大爆炸的话题不仅让我们陷入无穷倒退的困境，更引发了对因果律本身的质疑。在当前这一时空维度下，我们往往基于日常生活经验，将因果律视为理所当然。对因果律的认知深深植根于我们的存在之中，并且在亿万年的进化过程中不断强化。每个事件似乎都有其原因（或是多种因素共同作用导致某一结果）。我最喜欢的咖啡杯碎了，是因为它掉到了地上；我的绿植枯死了，是因为我忘了浇水。当然，对于这些日常生活中的真实案例，其根本原因比这些说法要细致得多，涉及在微观层面上影响原子和分子的力的相互作用，而这超出了人类的感知。但关键在于，在宏观层面上，因果律始终如影随形地存在于我们周遭时空的每个角落。在讨论大爆炸时，时间的本质（将在后续章节中详细探讨）以及时间本身是否有一个开始都成了问题。如果时间本身始于大爆炸，那么谈论时间之外的因果律就不太对劲了。坦率来说，关于抽象意义上的因果律到底是什么，哲学家们已经争论了几个世纪，而因果律真正的本质可能正是我们解开“戈尔迪之结” 的关键。

为了更明确地阐述这一点，下面介绍一些让许多物理学家、哲学家和神学家彻夜难眠的问题。

首先，假设时间向过去（这一方向）无限延伸，也就是说，时间没有起点。在这种情况下，什么导致了宇宙在某一特定时刻的诞生？为什么在时间轴上的无穷多个点中，这一时刻如此特殊？如果在宇宙诞生之前有无限长的时间，为什么宇宙不更早出现？还有，如果已经过去了无限长的时间，为什么万物仍未依照热力学第二定律所言而归于热寂？

12世纪时，托马斯·阿奎那利用这类论据得出了一系列结论：上帝存在，时间有其开端，并且上帝存在于时间之外。 ^[1]

坦白地说，我对阿奎那的智慧十分仰慕；我认为他会很喜欢现代宇宙学（也许他还会感到一丝困惑，在几个世纪后的今天，我们的哲学理解基本上与他当年的观点一致）。但可以肯定的是，阿奎那并不是第一个考虑这些问题的人，例如，生活在他之前近1 000年的圣奥古斯丁就对此类问题颇有微词。有一个流传甚广的故事，据传当圣奥古斯丁被问及创造宇宙之前上帝在做什么时，他回答道：“他在为提出此问题的窥探天机者建造地狱。” ^[2] 看起来我好像惹上麻烦了。

接下来，考虑另一种猜想，即时间有起点。这样一来，我们不仅会遇到因果律的问题（如无时间，何来原因？），还会遇到语言表述的困境（我们是否能描述“发生”在时间之外的事件？）。例如，人们可能会忍不住问：“是什么导致时间的开始？”但在时间并不存在的情况下，这个问题本身是否有意义尚有疑问，更不用说我们还会陷入逻辑和语言上的混乱。我个人主要依靠扩展维度的概念来理解这一猜想——虽然我们目前感知到的是三个空间维度和一个时间维度，但我需要设想，除了这些维度还有“额外”的元维度，而我们所感知的现实即存在其中。这些元维度可能具有类空间或类时间属性，或两者皆备，抑或是我们无法感知也难以用语言描述的其他形式。

必须声明，我并没有确凿的理由相信这样的元维度确实存在，但若摒弃这一概念，我的直觉就会陷入绝境。事实上，我始终觉得这些问题的答案存在于一片人类无法完全理解的荒原，这让我清醒地意识到我们自身在智力和感官上的局限性，以及我们与黑猩猩的DNA仅有1.2%的差异。然而，只要我时刻铭记，这条思维路径可能是一种自我欺骗，我便能安心将其作为开拓可能性的利器。如果将其作为一个思想实验，那么我们就可以大胆构想，在常规的时间维度之外，还存在某种准时间维度。接下来，我们就能创造新的语言来描绘这片元维度疆域中的坐标，并设想出发生在本宇宙时间之外的因果关系。这使我们得以提出诸如“时间为何恰在‘准此刻’萌生？”以及“‘准此前’存在着什么？”这样的追问。诚然，这般措辞可能并不优雅，但试问谁能为不可感知，甚至存在与否尚未可知的维度中所发生的事件创造出完美无缺的术语？

在讨论大爆炸之前，我必须先承认这是一个棘手的话题。宇宙起源的话题涉及科学、神学和哲学的交叉领域，这是无法回避的事实；它缺乏实证数据，极易引发辩论和分歧。我的经验告诉我，大家对这类话题唯恐避之不及，因为它们可能导致家庭聚会中出现激烈争吵的局面。但我相信，像这样的问题可能是最值得探索的。

有一种普遍流行的观点认为，科学家都没有宗教信仰。我可以向你保证，这种说法绝对是错误的，我认识的科学家有着各种各样的信仰。甚至，梵蒂冈罗马教廷在美国亚利桑那州拥有一座由耶稣会天文学家运营的天文台。我个人认为，宇宙中有一些真理是我们无法验证或证明的（至少目前还不能），这一点是不言而喻的。然而，仅仅是某些事物超出了实证研究的范畴，并不意味着它们不可能存在，它们只是不可验证而已。许多人对宇宙的信念从根本上与他们相信的基本公理（其中一些他们甚至可能没有意识到）以及他们认为有效的理由紧密相关。这可以追溯到前文有关认识论的章节。如果你跳过了那一部分内容，我恳请你回过头去翻看一遍，因为这些主题会在整本书中反复出现。

我在学习天体物理学研究生课程时，遇到了一位相当有意思的同学，他信奉的基本公理是：上帝在不到一万年前创造了如今的宇宙。他认为，我们找到的那些能证明宇宙年龄比这大得多（超过137亿年）的证据本质上是由超自然力量特意放置的，其目的正是捏造一个古老的宇宙来愚弄无神论者。我认识的大多数天文学家都无法接受这种所谓的“年轻地球创世论”，因为它经不起实证研究的考验。一项又一项研究成果表明，宇宙大约有140亿年的历史。然而，如果我们完全保持理性，就不得不承认，我们无法真正排除整个宇宙是由超自然力量精心策划的一场骗局的可能性。这就是基本公理的特点——它们本身无法被证明或证伪。鉴于公理对我们的信仰和世界观有着巨大影响，我们必须弄清楚自己内心的公理是什么，以及为什么我们会坚信它们。

出于上述原因，在讨论大爆炸时，我想坦诚地说明为什么我们会认为我们知道我们自以为知道的事情，以及当前知识的局限性体现在哪里。最终，我们会发现自己处于科学的边缘地区，而我们在这里提出的假说目前尚无法验证。

名字背后的意义

谈到大爆炸理论，人们总有诸多误解，其中一些正是源于这一名称本身。首先，日常口语中的“理论”一词往往让人联想到某些茶余饭后的奇谈。而相较于“理论”，“大爆炸”这个词造成的误导更为严重，它让人们错误地认为这是一次发生在太空某处的巨大爆炸。我们需要澄清这一点：这不是一次爆炸，而是空间自身的一种极速膨胀。而且，它并非发生于空间中的某一特定位置，而是同时发生在整个空间中。换句话说，无论我们现在身处何方（从我敲出这段文字时所处的位置，到我们目前观测过的最遥远的星系），都是137亿年前的那场所谓的“大爆炸”的案发现场。大爆炸是空间自身经历的事件，而不是在空间中发生的事件。

天文学家口中的“大爆炸”，指的是宇宙早期经历的一段短暂而剧烈的空间暴胀时期。我们可以用一些数字来量化这种剧烈的暴胀：具体而言，在这段暴胀时期，宇宙中的线性尺度扩大了10 26 倍。也就是说，如果某个物体在暴胀前的大小是1毫米，那么在暴胀过程中它会膨胀到1 000万光年的规模。

重要的不仅是暴胀过程中的尺度变化，还有这一“宇宙暴胀”所经历的时间跨度。现有证据表明，这种剧烈膨胀从宇宙诞生后的约10 –36 秒开始，持续时间不到10 –32 秒。 ^[3]

这一时间跨度之短暂，让我一时之间找不到什么像样儿的类比能帮助你在人类日常经验的框架内进行理解。 ^[4] 也许你已经注意到，此时空间各点的膨胀速率远远超出了光速。为了避免让你担心这是否违背了那条神圣的物理定律，在此需要特别说明：这种超光速膨胀并不“违规”，因为该过程没有传递任何信息。宇宙中的事物彼此分离的速度可以（而且确实）比光速还快，这是理论所允许的。它们无法做到的是互相产生因果联系（即以因果律的方式影响对方）。换句话说，只要没有任何东西能够以超过光的速度在不同事物间传递，就不会违背任何定律。

既然“大爆炸”和“理论”这两个词都有严重问题，你可能会疑惑，天文学家为何会提出这个术语。事实上，这原本只是一句玩笑话。简而言之，在20世纪中叶有一位名叫弗雷德·霍伊尔的著名天文学家，他非常厌恶宇宙可能正在膨胀的想法，因为这种膨胀意味着宇宙有一个开端；而如果宇宙有开端，那似乎暗示它可能是由神创造的，这对霍伊尔来说是一种不可接受的伪科学。这里的逻辑和讽刺意味非常耐人寻味，而霍伊尔的观点也凸显了“证真偏差”的威力：当科学证据与其既定信念不符时，他便将证据全盘否定，而这似乎与科学精神背道而驰。在英国广播公司（BBC）的一次关于该主题的广播访谈中，霍伊尔讥讽地 用“大爆炸”来概括这种宇宙膨胀的观点，却未料到这一名称脍炙人口，最终竟广为流传。 于是，如今我们不得不沿用“大爆炸”这一术语，而这一切仅仅是因为一位天文学家在广播节目中的戏谑之言。这也在很大程度上解释了，为什么该术语的真实含义与大众认知存在偏差。

另一个需要明确的要点是：从科学意义上讲，“大爆炸”并不是指宇宙的实际起源，尽管这个术语经常与宇宙诞生的最初一瞬混为一谈。实际上，“大爆炸”指的是从可能存在的某个微小的原始宇宙胚芽开始所经历的那一段剧烈暴胀时期。至于那个最初的胚芽来自何处，咱们恐怕得去问问下一只乌龟。

这是科学发展的关键所在：一个声称宇宙在不到10 –32 秒的时间内暴胀了10 26 倍的疯狂设想，必须要有令人信服的证据支撑。当然，科学家并不是某天早上突发奇想，毫无根据地说：“嘿，我有一个激进的想法，宇宙在140亿年前经历了极端的暴胀。”相反，大爆炸这一观点的形成历经数十年的积累，在多个突破性发现的推动下才得以逐步完善。

尽管完整地还原20世纪的科学界如何最终广泛接受大爆炸理论这段科学史并非本书主旨（你肯定可以在其他地方找到更详尽的记述），但是鉴于本书（至少部分）讨论了实证研究的极限，我觉得有必要解释几个关键的实证证据，让你看看这个初听犹如天方夜谭的暴胀假说如何征服了几乎所有天文学家和物理学家（以及天体物理学家）。

事实上，第一个证据甚至无需现代天文台的帮助：你是否思考过夜空为何黑暗？这个看似简单的问题，实则蕴含深意。至少早在公元6世纪，希腊僧侣科斯马斯就为此感到困扰，他凭直觉意识到，如果宇宙在时间和空间上都是无限的（并且均匀地分布着恒星），那我们就会被烧焦。 ^[5]

如今，这一现象被称为“黑夜悖论”，但通常被归功于海因里希·威廉·奥伯斯，“奥伯斯佯谬”也因此而得名。科学史学家对这一命名是否名副其实一直抱有怀疑。 ^[6]

黑夜悖论（如同很多名为“悖论”的陈述一样，它实际上并非真正的“悖论”）的逻辑是这样的：如果宇宙在时间上无限延伸，在空间上也广阔无垠，同时恒星数量无限且均匀分布，那么向太空望去的每一条视线都应该能落在一颗恒星上。如果这是真的，那么整个夜空就应该明亮如白昼，毕竟目光所及，无处不是星光。然而，夜空是黑暗的，这对即使是未经训练的观察者来说也很明显（除非他们住在繁华的闹市区），因此关于宇宙的某个或是某些假设必然有问题。

我的学生经常被他们的直觉误导，他们很自然地认为更远的恒星看起来会更暗淡，并且这种亮度递减一定至关重要。后半句话确实是对的，但问题是，在我们视野内的每一层宇宙中所包含的恒星数量恰好成比例地增加。换句话说，恒星的视亮度随距离的平方而减弱，但我们视野范围内的恒星数量也随距离的平方而增加，这两种几何效应相互抵消。

解决黑夜悖论的方法有很多种，其中一些非常牵强。但只要宇宙有一个开端，“悖论”就将不复存在。

我们可以从黑夜悖论中得出一个重要结论，那就是我们不需要多么复杂的设备就能提出很多令人信服的假说。有时，科学进步只需要对某些我们习以为常的事情提出一个简单的问题，比如：“为什么夜空是黑暗的？”

另一个在20世纪的物理学界涌现的“悖论”是，宇宙尚未衰减到统计平衡状态。显然，将热力学第二定律推广到整个宇宙会导致明显的矛盾。当时的物理学家借助新鲜出炉的广义相对论，提出宇宙不受稳定外部条件的约束（它不是一个闭合系统，这是热力学第二定律能够适用的前提条件），以此作为规避悖论的理论漏洞。 ^[7] 在我看来，这种辩解只是把问题暂时搁置一旁，继而引发出更深层次的诘问：为什么宇宙可能不受稳定外部条件约束？宇宙之外到底有什么？即使是外行也能明显看出的事实是，宇宙还远远没有进入“热力学平衡”。这一事实正是逐渐累积的证据链中的关键一环，可能表明宇宙实际上并非处于稳定状态。

与此同时，数学计算和天文观测领域还有另外两条并行的研究脉络也在展开，并且最终发现宇宙正在膨胀。 ^[8] 这可是一件大事。

我经常设想，如果有人毕生坚信宇宙大体上处于永恒的稳定状态，现在却被迫要接受这样一个颠覆性的世界观，那会是怎样的体验？这一结果毫无意外地引发了激烈的辩论。当一个可能改变研究范式的新想法出现时，这种辩论是有益于其向前发展的。数据具有不可辩驳的说服力，人们越来越难以忽视这个推论，即不断膨胀的宇宙必然意味着过去的宇宙比现在更小。如果沿着这一思路继续推演下去，其最终结果就是宇宙（也许）曾经无限小。当然，还有一些需要审慎对待的细节，例如，我们只能观测到可观测宇宙范围内的事物（这句话确实有些陈词滥调了）；在遥远的宇宙中，完全可能存在与我们所在区域的物理规律迥异的区域。好消息是，大爆炸假说带来了一整套极为有力的预测，而这些预测都可以（并且已经）通过观测进行验证。

大爆炸模型最有力的预测之一，就是宇宙中各元素具有精确的相对丰度。对于我们这些居住在岩石行星上、周围遍布重元素的人类而言，误以为氧和碳在宇宙中含量丰富是可以理解的。但是必须再次强调，我们的视角实在太过局限。如果你从未思考过元素周期表中曾经让你在化学课上伤透脑筋的各种元素从何而来，现在是时候了。就像夜空的黑暗一样，元素的存在是理所当然的，我们很少探究其本源。但是当你深入挖掘并开始提问时，新的谜题就会出现。元素周期表上有这么多种元素，而氢大约占据了在当前宇宙中所有原子质量的3/4（氦则占据了剩下的1/4），其他元素好像被它们霸凌了一样，这也太不公平了！

回望过去，我指的是大爆炸后大约10 –6 秒时，宇宙中甚至没有任何元素存在，有的只是一锅由夸克和胶子等基本粒子组成的极端炽热的浓汤。不久之后（以我们的生活经验应称为“瞬间”），这锅浓汤逐渐冷却，形成了质子、电子和中子。从这一刻起，宇宙只用了大约20分钟的时间来合成所有它能创造的元素，之后温度就会下降，原子核将无法碰撞在一起。宇宙没有浪费这珍贵的20分钟，而是马不停蹄地完成了元素的构成工作。但受时间所限，它在这20分钟所能做到的极限就是制造一些氦原子核（通过氢原子核，即质子的碰撞形成）和微量的锂原子核。至此，宇宙流干了最后一滴汗水（但不是字面意思的汗水，毕竟现在宇宙中还没有氧，更没有H2O），而这些元素构成了宇宙此后漫长岁月里的主要成分——直到数亿年后，恒星开始形成。所有其他元素都是在恒星的生死循环中形成的。正如那句名言所说，我们本就是星星的孩子（当然，更准确地说，我们是由恒星的内脏构成的，但是这么说就一点儿也不浪漫了）。

我知道这些物理过程可能听起来很复杂，但实际上它们只是遵循一些基础的热力学和粒子物理学原理。关键在于，我们可以对氢、氦、锂及其同位素的确切丰度做出非常准确的预测。 这些同位素中最重要的是氘，也叫“重氢”（因为其原子核同时包含一个质子和一个中子）。与其他元素在恒星中合成不同，氘会在恒星内部消耗，因此随着宇宙的年纪渐长，恒星持续燃烧燃料，氘的含量会不断降低。更重要的是，除了大爆炸核合成之外，目前尚未发现任何能够批量制造氘的途径。氘与普通的氢（也称为“氕”）的比例为我们了解宇宙最初20分钟的物理条件和时间尺度提供了极其精确的参考。而观测数据与理论预测的完美吻合正是大爆炸理论最有力的实证支撑。

虽然另一条证据只是间接证据，但是目前只有运用大爆炸理论才能将其解释清楚。如果我们看向左侧100亿光年外的视界，再看向右侧100亿光年外的视界， 就会发现这两个区域（当它们各自发出的光朝我们的方向出发时，它们彼此相距约200亿光年） 在统计学意义上是无法区分的。事实上，无论我们朝哪个方向的视界望去，宇宙似乎都是均匀的。

若宇宙长期处于某种稳定状态，这些区域不可能在200亿年的时间里一直因果相关并共享信息，因此视界根本不可能保持均匀。宇宙暴胀在此为我们提供了解决方案。在宇宙暴胀模型中，整个可观测宇宙都处于因果联系中。暴胀结束时，如今的可观测宇宙直径大约只有1米，即约3×10 –9 光秒。换句话说，当宇宙只有一条宠物狗那么大的时候，其各个区域之间有充足时间建立因果联系。视界难题就此迎刃而解。

大爆炸理论还给出了一个其他物理模型无法解释的关键预测：大爆炸约40万年后，宇宙应该已经冷却到足以让电子与质子结合，形成真正的原子。出于某些被我刻意略过的原因（我们不妨把这些原因称为“物理学机制”），当质子和电子结合时，光就能够自由发散并在空间中朝任何方向直线传播，直到其遇到障碍。这种来自天空各个方向的背景光被称为宇宙微波背景（CMB）。这种CMB辐射应该具有非常具体的观测特征，精准标示出宇宙在其发出时的确切温度。结合与我们所了解的质子和电子结合成原子时所需要的温度，我们得到了一个非常具体且可供验证的预测。该过程的物理学机制非常好理解，哪怕是最倒霉的物理系本科生也可以轻松地完成该内容相关的课后习题。真正的挑战在于如何验证这一精确的预测。

幸运的是，电子和质子结合成原子时释放出的一部分光，经过130多亿年的旅程最终抵达地球。科学家开展了多次重要实验来测量宇宙微波背景的特性，并且精度不断提高。接下来的事情就顺理成章了，观测结果与大爆炸理论的预测完全一致。大爆炸理论再下一城。

总而言之，如今有大量基于不同预测和实验方法的证据共同支撑着大爆炸理论。迄今为止，唯一能与实验数据百分之百吻合的另一种假说，就是某种超自然力量刻意设计了这个宇宙，并且处心积虑地哄骗我们这些凡夫俗子相信大爆炸发生过。然而，这一假说显然缺乏可验证性和预测能力。

信心的纪元

尽管我们有大量证据支持大爆炸的确发生过，但这与理解它如何发生或为何发生，完全是两码事。论及宇宙的各个历史时期，越往前追溯，我们的理解程度就越低。话虽如此，但是从很大程度上讲，我们对宇宙诞生后20分钟至40万年这一阶段的物理过程的理解，竟然意外地比我们对过去10亿年间所发生的物理过程的理解要更加透彻。

我们的信心会随着我们对某一理论的实证检验能力的下降而急剧下降。例如，我们能够接收到的最古老的光大约来自宇宙诞生后40万年。确切地说，这正是宇宙冷却到足以使电子和质子稳定下来形成原子的时候。当然，在此之前也存在大量的光，但它们被困在粒子浓汤里。因此，这是我们可以直接通过光观测到的最早的宇宙图景，并且这一现状永远无法改变。

虽然无法实际观测到宇宙诞生后40万年的情况，但这并不意味着我们完全一无所知。例如，我们的引力波探测能力正在飞速发展，这将为我们提供一个了解宇宙的全新窗口。目前，我们探索更早期宇宙的主要工具还是物理学实验室中的前沿实验。现代设备已能常规观测到宇宙诞生几分钟内的高能条件，因此我们对这些条件下展开的物理过程已经了如指掌了。

我们如今能够探测到宇宙诞生后10 –32 秒内的能量水平，即便是我这个对天体物理学已经感到些许麻木的大脑，对此也感到瞠目结舌。欧洲的大型强子对撞机就可以重现这种疯狂的能量水平。请感受以下这个事实：现代物理实验竟能探索年仅10 –32 秒大的婴儿宇宙。

不过，我们也要清醒地认识到，即使有大型强子对撞机，我们也无法自由探索早期宇宙。这类实验过程难以长期维持，且局限重重。打个比方，我们通过大型强子对撞机研究宇宙，就好比试图通过一根无法控制方向的吸管来观察一整间屋子。更糟糕的是，这根吸管还总是需要关停维护，而且房间内大部分时间都是黑暗的。

目前，对于大型强子对撞机无法复现的更早期宇宙（包括暴胀时期）的能量水平，我们还没有任何观测和实验手段能进一步深入研究。关于暴胀的起因，我们目前有一个可行的假说，涉及所谓的“假真空”状态以及“暴胀场”，它们共同产生负压，从而触发了宇宙的急剧膨胀。但是截至本书撰写时，我们既无法回到137亿年前去验证这一假说，也没能在实验室中重现其所需的条件。

暴胀本身的起因仍然是未解之谜。但是（这个“但是”非常重要）我认为这可能是一个很快就能解决的谜题，或许下一代超级对撞机就能带来新的突破。

当我们将目光投向更早的时期，比如普朗克时间（约为10 –43 秒），那才是真正陷入了困境，因为我们目前所掌握的物理定律在这段时间里完全失效。根据不确定性原理，任何小于普朗克时间的时间测量都是不确定的。如同面对黑洞中心时所遭遇的困境，我们在宇宙诞生的那一刻显然也会遇到一个奇点，而量子引力理论似乎是唯一的出路。

然而，关于宇宙暴胀的起因，乃至在普朗克时期发生了什么，并不是许多人辗转反侧想弄清楚的问题。更深层次的困境在于，当我们抽丝剥茧，层层追溯下去，终将会遇到那个最根本的问题：为什么会存在可供暴胀的“某物”（无论它多么致密或怪异）？换句话说，为何有物而非无物？ ac0edKVpT7IIBh9yDyODmjLMm2f+AKu9hdjP+mVfAohg1RrIZiNn4moXhWGY8G3a