大爆炸還是大反彈？宇宙起源有新說

宇宙起源於大爆炸？其實還有一種可能：宇宙在大爆炸之前也是存在的，只不過它一直在收縮，後來由於某種原因發生「反彈」，轉而進入膨脹的狀態，演化為我們現在所知的世界。

撰文 Sean Carroll（加州理工大學理論物理學家）

翻譯 金庄維

審校 蔡一夫 李春龍（科學技術大學天文系）

宇宙究竟是一直以來就有，並將一直膨脹下去？還是存在一個開端，在此之前沒有時間的概念？很難說哪種方式更能解釋我們的存在，或是哪種方式更令人難以理解。

你也許覺得，宇宙起源問題早在20世紀就已經被標準大爆炸模型成功解決了。我們身處的宇宙一直在膨脹——遙遠的星系仍在離我們遠去。物理學家將這一現象解釋為空間自身的拉伸。

現在讓我們倒序放映這部宇宙大片。隨著時間推向過去，宇宙變得越來越熱，也越來越緻密。根據愛因斯坦的廣義相對論方程，物質的溫度和密度終將趨於無限大，那時，宇宙膨脹也變得無限快。我們將那個假想的時刻稱為「大爆炸」。

大爆炸時刻發生了什麼

我們可以說大爆炸是在某一時刻發生的，但不能說它是在空間上某一位置發生的。由於我們是在宇宙內部而不是宇宙外部進行觀察，根據我們有限的經驗，很容易認為它是在已有的空間中發生的爆炸。但這是不對的。從大爆炸那一刻起，空間才一下子出現，其密度與溫度趨於無窮大，在此之後，隨著空間的膨脹，宇宙不斷冷卻，變成今天的樣子。

至少，宇宙學家就是這麼告訴我們的。你常常聽到他們說，大爆炸就是宇宙的起點，在此之前世間一片混沌。問「大爆炸從何而來」就好比問「北極之北在哪裡？」不是我們不知道答案，而是這個問題似乎根本沒有意義。

真的沒有意義嗎？將大爆炸作為時間起點是廣義相對論的預言，而不是觀測到的事實。很難想象那時到底是什麼樣的，因為早期宇宙太熱太密，就連光線都走不了太遠——沒跑多遠就會撞上大量帶電粒子，光子和這些粒子頻繁地發生碰撞反應，就」跑不動「了。所以原初的宇宙就是黑漆漆一片。

然而容易讓人困惑的是，我們常常用「大爆炸」來指代兩種截然不同的事物。第一種是上文所述假想的初始奇點；而第二種是「大爆炸模型」，它描述了宇宙從起始時刻開始的演化史。大爆炸模型認為，宇宙在百億年前處於極端的狀態——溫度極高，物質密度極高且均勻分佈在空間中。根據這個模型，隨著宇宙的膨脹和冷卻，引力將物質「拉攏」到一起才形成了恆星和星系。

預言了「大爆炸」的廣義相對論是物理學中的豐碑。廣義相對論還做出過很多其他預言：從光線彎曲到最近發現的引力波，並且在實驗檢驗中滿分通過。但事實上，這個理論在引力方面並不完善，特別是在極端條件下——比如大爆炸。

問題就在於廣義相對論無法與量子力學「和平共處」。我們經常聽到這樣的說法：量子力學描述了很小尺度上發生的事件，比如亞原子領域的各種現象。但物理學家認為，量子力學在所有情況下都是準確的。宇宙早期的尺度很小，當時的量子力學效應當然很重要。但要解釋量子力學如何融入大爆炸模型，廣義相對論表示做不到。

所以，當被問起大爆炸時刻發生了什麼時，我們最好回答：不知道。

當然，我們有相關的理論，物理學家也正致力於使這些理論更加精確、可驗證。我們剛開始時提到的兩種可能性——宇宙擁有一個開端，還是一直存在——都在熱烈的討論中。關於調和廣義相對論和量子力學的新想法也有助於物理學家推進這些理論，給我們帶來些許希望：也許某天我們能夠充滿信心地闡述大爆炸時刻發生了什麼。

大爆炸之前

宇宙為什麼有可能是永恆的？鑒於我們對早期宇宙缺乏了解，有這樣的疑惑也在情理之中。真正的知識應基於實在的證據，而不僅僅是猜想。在假想的「大爆炸」後幾秒內，宇宙就像個核聚變反應堆，將核子轉化為氦、鋰、氘等輕元素。

今天，我們通過測量宇宙深處這些輕元素的丰度，可以觀測到這些早期反應的結果。測量結果和廣義相對論以及傳統宇宙學模型的預言吻合得相當好。早期宇宙的確極端緻密，並且膨脹迅速。

那麼，既然這些都是真的，更早一些時，宇宙理應更加緻密，膨脹得更快。幾乎可以肯定的是，大爆炸附近的某個時刻發生了一些意料之外的事情。會是什麼呢？

最簡單的答案是「反彈」。我們可以想像大爆炸之前，宇宙也是存在的，只不過它一直在收縮。而其微妙之處在於，由於某種原因，宇宙沒有撞到一起變成密度無限大的詭異狀態，而是發生「反彈」，轉而進入膨脹的狀態，演化為我們現在所知的世界。

說得更清楚些，這樣的反彈完全不符合我們已知的物理定律。但是作為科學家，我們承認我們並非完全了解終極定律，特別是在與日常經驗相去甚遠的極端條件下。所以，宇宙在過去也很有可能發生反彈。

但是為什麼呢？我們還是不知道，不過這並未阻礙理論物理學家通過豐富的想像力做出有理有據的猜測。有種簡單的論調：我們對引力的理解還不夠。當然，愛因斯坦的廣義相對論通過了所有已有實驗的驗證，但是這些實驗進行的環境與早期宇宙的極端條件完全不同。在足夠緻密的條件下，引力說不定不再是引力，而變成斥力。我們沒有客觀理由來認定它是對是錯判斷它的對錯，但這確實是一種可能。

量子力學中的無限可能

也許我們應該做一個更加大膽的假設：量子力學改變了一切。量子力學與它的前輩，經典牛頓力學，的最明顯差別在於，量子理論只允許我們預測系統處於某種狀態的概率，我們無法提前知曉確切的結果。

但是兩者的區別遠不止於此。經典的粒子擁有可被測量的位置和速度。但量子力學表示根本不存在「位置」和「速度」，我們認為的「位置」和「速度」只是用於觀測、量度物理系統的人工產物。

在量子力學中，真正存在的是波函數。波函數是一些由薛定諤方程演化而來的數學對象，我們可以通過波函數來計算實驗中觀測到某現象的概率。但是波函數不僅僅是用於計算的工具，它們是代表現實本身的最佳方式。

波函數是我們用於確定系統所處狀態的最完整方式，即便它們總是為不同的測量對象賦予不同的概率（不確定性）。在這一點上，我們應當注意，對量子力學的解釋是公認的棘手問題，在細節方面大家的意見並不一致。

量子力學中粒子的「位置」和「速度」並非基本概念，同樣，「空間」本身也不是基本的。將「空間在膨脹」這一經典的陳述用量子語言改寫后，就成了「宇宙的波函數是這樣演化的：如果要測量宇宙的幾何形態，我們很有可能觀察到它是隨時間膨脹的。」

預言了大爆炸奇點的廣義相對論是個經典的理論。然而不幸的是，我們沒有能夠取代廣義相對論的完整量子理論，至少現在還沒有。所以我們所能做的最好表述就是：「宇宙的波函數極有可能這樣演化：如果測量它在大爆炸附近的行為，我們很有可能觀察到它發生反彈。」

或者，並沒有。同樣極有可能的是，量子力學允許宇宙擁有一個開端，即使這個開端比經典的大爆炸更讓人匪夷所思。

我們並非完全了解終極定律，特別是在與日常經驗相去甚遠的極端條件下。

表面上看，薛定諤方程無可爭議地主宰著波函數的演化：時間不斷流逝，從無窮遠的過去到無窮遠的將來。但其中有個可能的漏洞：如果時間不是現實的基本要素……

物理學家們在討論這樣一種情況：時間可能是「湧現」的。湧現是討論宏觀物體（就像桌子椅子）的有效方法，但它並不討論更深層結構（比如組成桌椅的基本粒子、力）。從這種觀點看來，我們所感受到「時間的流逝」並非真正基本的自然運作方式，而只是有效的近似。它反映了宇宙波函數各部分之間的聯繫。

告訴我們波函數如何演化的薛定諤方程高度依賴於系統包含的能量。更恰當地說，方程依賴於系統可能所處的各個不同狀態的能量（歸根到底，這是量子「力學」）。高能態演化得快，低能態「悠哉」些，而零能態根本不發生演化。如果時間是湧現的而非基本的，那麼宇宙的總能量很可能為零。這看起來很荒唐——包羅萬物的宇宙中肯定會包含能量。

別著急。如果仔細研究廣義相對論的數學形式，你會發現時空不但是彎曲的，而且它的曲率還常常與負能量相關。所以零能量的宇宙是完全有可能的。具體而言，我們的宇宙從物質、輻射中獲得正能量，但這些正能量被由時空曲率帶來的負能量完全抵消。所以，宇宙的總能量恰好為零。

如果真是這樣，時間就可能是湧現的，存在一個時鐘開始「滴答」的最早時刻——在那以前不存在時間的概念。那便是大爆炸發生的時刻。