關(guān)于宇宙的最終歸宿，物理學(xué)家布萊恩·考克斯（BrianCox）曾經(jīng)這樣描述過(guò)，“最后一顆恒星將慢慢冷卻并消失。隨著它的消逝，宇宙將再次變得空虛，沒(méi)有光、沒(méi)有生命或意義?！?/p>

最后一顆恒星的衰落只會(huì)是一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的黑暗時(shí)代的開(kāi)始。所有的物質(zhì)最終都會(huì)被巨大的黑洞所吞噬，而黑洞又會(huì)蒸發(fā)成最暗淡的光芒?？臻g將不斷向外擴(kuò)展，直到暗淡的光線變得過(guò)于分散，無(wú)法相互作用。這些描述形成的理論稱(chēng)之為“熱寂”假說(shuō)理論（Heat death of the universe）。

那么宇宙又是如何誕生的呢？目前的認(rèn)識(shí)是，宇宙在大約137億年前，由一次大爆炸過(guò)程所形成。這次大爆炸的反應(yīng)原理被物理學(xué)家們稱(chēng)為量子物理。大爆炸使物質(zhì)四散出去，空間不斷膨脹，后來(lái)相繼出現(xiàn)了星系、恒星、行星乃至生命。

但是關(guān)于這個(gè)理論還是讓我們覺(jué)得充滿了神秘感，一個(gè)需要回答的關(guān)鍵問(wèn)題是，大爆炸之前發(fā)生了什么？或者說(shuō)是什么首先引發(fā)了大爆炸——簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，宇宙是如何從無(wú)到有的？

宇宙怎么可能從無(wú)到有呢

有一些研究者認(rèn)為，或許在大爆炸發(fā)生之前，宇宙就已經(jīng)存在了，而且可能是像終結(jié)狀態(tài)那樣——是一個(gè)寒冷黑暗的宇宙，可能是大爆炸的起點(diǎn)。而另一些研究者認(rèn)為，當(dāng)時(shí)的宇宙是溫暖又密度很大的狀態(tài)，并且在膨脹，當(dāng)宇宙中發(fā)生了大爆炸后，開(kāi)始進(jìn)入到新一輪的演化之中。那么今天這篇文字，我們來(lái)聊一下這個(gè)有趣和神秘的問(wèn)題吧。

第一種物質(zhì)的產(chǎn)生

但在講故事之前，讓我們先看看“物質(zhì)”——物理物質(zhì)，是如何產(chǎn)生的。

物質(zhì)是由原子或分子構(gòu)成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此在宇宙大爆炸時(shí)肯定是不存在的，即使是在之后的數(shù)十萬(wàn)年中也不會(huì)產(chǎn)生——根據(jù)我們目前已經(jīng)建立起來(lái)的科學(xué)理論，當(dāng)條件冷卻到足以使復(fù)雜物質(zhì)穩(wěn)定時(shí)，第一批原子是如何由簡(jiǎn)單粒子形成的，以及這些原子后來(lái)如何在恒星內(nèi)部融合成更重的元素。

我們目前所建立的關(guān)于宇宙形成的大爆炸理論（圖片來(lái)源：VectorMine via Shutterstock）

然而，這個(gè)理論并沒(méi)有解決和回答——宇宙是如何從無(wú)到有的問(wèn)題。

所以還是從頭來(lái)捋一捋，宇宙形成期最早出現(xiàn)的物質(zhì)粒子是質(zhì)子和中子，它們?cè)谟钪娲蟊ê蟠蠹s萬(wàn)分之一秒就出現(xiàn)了，并共同構(gòu)成了原子核。

那在這之前發(fā)生了什么呢？讓我們能夠繼續(xù)追溯時(shí)間線，探尋任何穩(wěn)定物質(zhì)之前的過(guò)程。

原子核的波爾模型

這就來(lái)到了所謂的“大統(tǒng)一理論”時(shí)代的物理模型，這是我們到目前為止建立的相對(duì)完善的推測(cè)物理學(xué)領(lǐng)域的理論（因?yàn)闊o(wú)法使用實(shí)驗(yàn)方式產(chǎn)生足夠的能量來(lái)模擬這個(gè)過(guò)程，所以推測(cè)物理學(xué)應(yīng)運(yùn)而生）。

這一理論認(rèn)為，物理世界是由包括夸克，質(zhì)子和中子等基本粒子組成的。物質(zhì)和“反物質(zhì)”的數(shù)量大致相等：每種物質(zhì)粒子，如夸克，都有一個(gè)反物質(zhì)“鏡像”。當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí)，它們會(huì)在瞬間湮滅，這意味著這些粒子會(huì)不斷地被創(chuàng)造和毀滅。

這些粒子最初是如何產(chǎn)生的呢？根據(jù)量子場(chǎng)論，即使是一個(gè)真空，也充滿了能量漲落形式的物理活動(dòng)。這些波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致粒子彈出，然后很快就會(huì)消失。這聽(tīng)起來(lái)像是一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題而非物理現(xiàn)象，但事實(shí)是，在無(wú)數(shù)的實(shí)驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn)了這樣的粒子。

真空量子漲落

時(shí)空真空狀態(tài)正在沸騰，粒子不斷被創(chuàng)造和破壞，顯然是“憑空產(chǎn)生的”。但也許所有這些真正告訴我們的是，量子真空是一個(gè)物質(zhì)狀態(tài)，而并非真的一無(wú)所有。

零點(diǎn)能量概念

在此基礎(chǔ)上，一個(gè)新的問(wèn)題提出了：時(shí)空本身從何而來(lái)？為了回答這個(gè)問(wèn)題，讓我們繼續(xù)把時(shí)鐘撥回更遠(yuǎn)的地方，進(jìn)入“普朗克時(shí)代”——這是宇宙歷史上非常早期階段的一個(gè)時(shí)期，只發(fā)生在宇宙大爆炸后一萬(wàn)億分之一到一萬(wàn)分之一秒的千萬(wàn)分之一。此時(shí)，空間和時(shí)間本身受到量子漲落的影響。

物理學(xué)家通常分別研究控制粒子微觀世界的量子力學(xué)和適用于大宇宙尺度的廣義相對(duì)論。但要真正理解普朗克時(shí)代，則需要一個(gè)完整的量子引力理論，將兩者結(jié)合起來(lái)。在普朗克時(shí)代，對(duì)空間和時(shí)間的常規(guī)理解都不再適用。

到目前為止，即使是最好的物理學(xué)也無(wú)法完全提供答案。除非在“萬(wàn)物理論”方面取得進(jìn)一步進(jìn)展，否則我們無(wú)法給出任何明確的答案。在這一階段，物理學(xué)迄今為止還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何確鑿的實(shí)例。

從零開(kāi)始循環(huán)

要真正回答一個(gè)問(wèn)題，即什么東西是如何從無(wú)到有的，我們需要解釋普朗克時(shí)代開(kāi)始時(shí)整個(gè)宇宙的量子態(tài)。關(guān)于這方面的研究嘗試都是高度推測(cè)性的，包括多元宇宙模型，循環(huán)宇宙模型等等。

2020年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（RogerPenrose）提出了一個(gè)有趣但有爭(zhēng)議的循環(huán)宇宙模型，稱(chēng)為“共形循環(huán)宇宙模型”。其靈感來(lái)自于一個(gè)有趣的數(shù)學(xué)聯(lián)系，即宇宙的一個(gè)非常熱、致密、小的狀態(tài)——就像在大爆炸時(shí)那樣——和宇宙的一個(gè)極端冷、空、膨脹的狀態(tài)——就像其最終歸宿那樣。他解釋這種對(duì)應(yīng)關(guān)系的激進(jìn)理論是，當(dāng)達(dá)到極限時(shí)，這些狀態(tài)在數(shù)學(xué)上是相同的。

在這種觀點(diǎn)下，大爆炸起源于一個(gè)幾乎沒(méi)有任何東西的世界。這就是宇宙中所有物質(zhì)被消耗成黑洞后留下的東西，而黑洞又被蒸發(fā)成光子，消失在真空中。

那么，同一個(gè)狀態(tài)怎么可能即是一個(gè)冷的、空的宇宙，而從另一個(gè)角度看，又是一個(gè)熱的、稠密的宇宙？答案在于一個(gè)稱(chēng)為“共形重縮放”的復(fù)雜數(shù)學(xué)過(guò)程，這是一種幾何變換，實(shí)際上改變了對(duì)象的大小，但保持其形狀不變。

彭羅斯展示了冷空態(tài)和熱密態(tài)是如何通過(guò)這樣的重新縮放來(lái)關(guān)聯(lián)的，這樣它們就可以與時(shí)空的形狀相匹配，盡管與它們的大小無(wú)關(guān)。彭羅斯認(rèn)為，在這種極端的物理環(huán)境中，尺寸這個(gè)概念不再有意義。

在共形循環(huán)宇宙學(xué)中，解釋的方向從“古老寒冷”到“年輕炎熱”：熱密態(tài)的存在是因?yàn)槔淇諔B(tài)。但它的因果關(guān)系隨時(shí)間而變化。在這些極端狀態(tài)下，時(shí)間可能也不再相連續(xù)。冷空狀態(tài)和熱密狀態(tài)實(shí)際上位于不同的時(shí)間線上。從觀察者的角度來(lái)看，冷空態(tài)在其自身的時(shí)間幾何學(xué)中將永遠(yuǎn)持續(xù)下去，但它所產(chǎn)生的熱密態(tài)實(shí)際上“占據(jù)了”一個(gè)新的時(shí)間軸。

也許我們應(yīng)該說(shuō)，熱密態(tài)是從冷空態(tài)中產(chǎn)生的，或是基于冷空態(tài)，或是由冷空態(tài)實(shí)現(xiàn)的。這些獨(dú)特的形而上學(xué)思想已經(jīng)被科學(xué)哲學(xué)家們廣泛探索，特別是在量子引力的背景下，普通的因果關(guān)系似乎被打破了。

理論的證據(jù)

共形循環(huán)宇宙學(xué)為我們的大爆炸從何而來(lái)的問(wèn)題提供了一些詳細(xì)的、推測(cè)性的答案。但是，即使彭羅斯的觀點(diǎn)未來(lái)能夠被宇宙學(xué)所證明，卻仍然無(wú)法回答一個(gè)更深層次的問(wèn)題——一個(gè)關(guān)于物理現(xiàn)實(shí)本身從何而來(lái)的，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)是如何產(chǎn)生的？

對(duì)于這一更深層次的問(wèn)題，有三種可供選擇的解釋。這根本沒(méi)有物理上的解釋?；蛘呖赡艽嬖跓o(wú)休止的重復(fù)周期，每個(gè)周期都是一個(gè)宇宙，每個(gè)宇宙的初始量子態(tài)都可以用之前宇宙的某些特征來(lái)解釋?；蛘呖赡苡幸粋€(gè)單一的周期，一個(gè)單一的重復(fù)宇宙，這個(gè)周期的開(kāi)始由它自己的結(jié)束的一些特征來(lái)解釋。

彭羅斯設(shè)想了一系列無(wú)休止的新周期進(jìn)行解釋?zhuān)@與他自己對(duì)量子理論的偏好有關(guān)。在量子力學(xué)中，一個(gè)物理系統(tǒng)同時(shí)存在于許多不同狀態(tài)的疊加中，當(dāng)我們測(cè)量它時(shí)，它只會(huì)隨機(jī)“挑選一個(gè)”呈現(xiàn)出來(lái)。每個(gè)周期都涉及到隨機(jī)量子事件，結(jié)果是不同的——這意味著每個(gè)周期將不同于之前和之后的周期。這就可以讓我們通過(guò)普朗克衛(wèi)星觀測(cè)到的大爆炸遺留輻射中的微弱痕跡或異?，F(xiàn)象，瞥見(jiàn)一些宇宙誕生的線索。

彭羅斯認(rèn)為他們可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這些線索，但是他的觀測(cè)結(jié)果受到了其他物理學(xué)家的質(zhì)疑。

宇宙微波背景輻射圖

有一種自然的方法可以將共形循環(huán)宇宙學(xué)從多循環(huán)形式轉(zhuǎn)換為單循環(huán)形式。那么，物理現(xiàn)實(shí)就是在遙遠(yuǎn)的將來(lái)，在大爆炸中循環(huán)到一個(gè)最大的空狀態(tài)，然后再循環(huán)到同一個(gè)大爆炸，再次產(chǎn)生同一個(gè)宇宙。

這就是多元宇宙的解釋。它告訴我們，每次測(cè)量一個(gè)處于疊加狀態(tài)的系統(tǒng)時(shí)，這個(gè)測(cè)量并不會(huì)隨機(jī)選擇一個(gè)狀態(tài)。相反，測(cè)量結(jié)果只是一種可能性，即在我們自己的宇宙中發(fā)揮作用的可能性。其他測(cè)量結(jié)果都在多元宇宙中的其他宇宙中發(fā)揮作用，實(shí)際上與我們自己的宇宙隔絕了。因此，無(wú)論發(fā)生某件事的幾率有多小，只要不是0，那么它就會(huì)發(fā)生在某個(gè)量子平行世界中。在其他世界，人們可能會(huì)中了彩票，或者被臺(tái)風(fēng)卷進(jìn)了云層，或者發(fā)生了別的事情。

多元量子理論給共形循環(huán)宇宙學(xué)帶來(lái)了新的轉(zhuǎn)折，我們的大爆炸可能是一個(gè)單一量子多元宇宙的重生，其中包含無(wú)限多個(gè)不同的宇宙，所有這些宇宙都發(fā)生在一起。一切可能的事情都會(huì)發(fā)生——然后它會(huì)一次又一次地發(fā)生。

古老的神話

對(duì)于一位科學(xué)哲學(xué)家來(lái)說(shuō)，彭羅斯的理論是非常具有吸引力的。它為解釋大爆炸開(kāi)辟了新的可能性，使我們的解釋超越了普通的因果關(guān)系。因此，這是探索物理解釋世界的一個(gè)很好的假說(shuō)理論。

對(duì)于一個(gè)神話愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，彭羅斯理論描述的也是美麗的。因?yàn)榕砹_斯的周期理論，與古代神話中的大毒蛇（或稱(chēng)世界蛇）傳說(shuō)有一定的相似性，這其中包括挪威神話，埃及神話等等。

圖坦卡蒙（Tutankhamun）陵墓上的大毒蛇

一個(gè)循環(huán)宇宙中的大毒蛇確實(shí)是雄偉的，腹中包含著宇宙萬(wàn)物，以及量子物理學(xué)所允許的每一個(gè)奇異而奇妙的替代可能的宇宙——在它的頭部與尾部相交的地方，完全是空的，但也充滿了溫度為10萬(wàn)億攝氏度的能量。

引用

Putting the size of the universe into human perspective – (Universal-Sci)

Special lettuce grown in space will help future Mars-bound astronauts prevent bone loss – (Universal-Sci)