弦理论预言了宇宙大爆炸之前的时间

宇宙大爆炸真的是时间的开始吗？还是宇宙在那之前就已存在？仅仅在几十年前，这样的问题似乎近乎亵渎。大多数宇宙学家坚持认为这根本毫无意义——思考宇宙大爆炸之前的时间就像问路去北极以北的地方一样。但理论物理学的发展，特别是弦理论的兴起，改变了他们的观点。大爆炸前的宇宙已成为宇宙学最新的前沿领域。

重新愿意考虑大爆炸之前可能发生的事情，是千百年来来回摇摆的思想钟摆的最新一次摆动。在某种形式上，终极起源的问题吸引了几乎每种文化中的哲学家和神学家。它与一系列宏大的关注点交织在一起，这些关注点在保罗·高更于 1897 年创作的画作中得到了著名的概括：D'ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous? “我们从哪里来？我们是谁？我们要到哪里去？” 这件作品描绘了出生、生命和死亡的循环——每个个体的起源、身份和命运——而这些个人关注直接与宇宙关注相连。我们可以追溯我们的血统，追溯到我们的动物祖先，再到早期的生命形式和原始生命，再到原始宇宙中合成的元素，再到之前沉积在太空中的无定形能量。我们的家谱会无限期地向后延伸吗？还是它的根会终止？宇宙是否像我们一样是暂时的？

古希腊人激烈地争论时间的起源。亚里士多德站在“无始”的一边，他援引了“无中不能生有”的原则。如果宇宙永远不可能从虚无变为存在，那么它必定一直存在。由于这个和其他原因，时间必须永恒地延伸到过去和未来。基督教神学家倾向于持相反的观点。奥古斯丁认为，上帝存在于空间和时间之外，能够像创造我们世界的其他方面一样，将这些概念带入存在。当被问及“上帝在创造世界之前在做什么？”时，奥古斯丁回答说：“时间本身是上帝创造的一部分，根本没有‘之前’！”

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爱因斯坦的广义相对论使现代宇宙学家得出了大致相同的结论。该理论认为，空间和时间是柔软的、可延展的实体。在最大的尺度上，空间自然是动态的，随着时间的推移膨胀或收缩，像潮汐上的漂流木一样携带物质。天文学家在 20 世纪 20 年代证实，我们的宇宙目前正在膨胀：遥远的星系彼此远离。物理学家斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯在 20 世纪 60 年代证明的一个结果是，时间不能无限期地向后延伸。当您在时间上倒放宇宙历史时，所有星系都会汇聚到一个无限小的点，称为奇点——几乎就像它们正在下降到黑洞中一样。每个星系或其前身都被压缩到零大小。密度、温度和时空曲率等量变得无限大。奇点是终极灾难，我们的宇宙起源无法超越它。

不可避免的奇点给宇宙学家带来了严重的问题。特别是，它与宇宙在大尺度上表现出的高度均匀性和各向同性不协调。为了使宇宙在各处看起来大致相同，某种形式的通信必须在遥远的空间区域之间传递，协调它们的属性。然而，这种通信的想法与旧的宇宙学范式相矛盾。

奇怪的巧合

具体来说，考虑一下自宇宙微波背景辐射释放以来 138 亿年间发生的事情。星系之间的距离增长了大约 1,000 倍（由于膨胀），而可观测宇宙的半径增长了更大的大约 100,000 倍（因为光速超过了膨胀速度）。我们今天看到的宇宙部分，是 138 亿年前我们无法看到的。事实上，这是宇宙历史上来自最遥远星系的光首次到达银河系。

然而，银河系的性质与遥远星系的性质基本相同。这就像你参加一个聚会，却发现你和十几个最亲密的朋友穿着完全相同的衣服。如果只有你们两个人穿着相同，这可能会被解释为巧合，但十几个则表明参加聚会的人事先协调了他们的服装。在宇宙学中，这个数字不是十几个，而是数万个——微波背景中独立但统计上相同的天空区域的数量。

一种可能性是，所有这些空间区域在诞生时就被赋予了相同的属性——换句话说，均匀性仅仅是巧合。然而，物理学家们已经考虑了两种更自然的方式来摆脱僵局：早期宇宙比标准宇宙学中描述的要小得多或古老得多。两者中的任何一个（或两者共同作用）都可能使相互通信成为可能。

最流行的选择遵循第一种替代方案。它假设宇宙在其早期历史中经历了一个加速膨胀的时期，称为暴胀。在这个阶段之前，星系或其前身如此紧密地聚集在一起，以至于它们可以很容易地协调它们的属性。在暴胀期间，它们失去了联系，因为光速无法跟上疯狂的膨胀速度。暴胀结束后，膨胀开始减速，因此星系逐渐回到彼此的视野中。

物理学家将暴胀爆发归因于存储在一个新的量子场——暴胀场——中的势能，大约在大爆炸后 10⁻³⁵ 秒。势能，与静止质量或动能相反，会导致引力排斥。暴胀场没有像普通物质的引力那样减缓膨胀，而是加速了膨胀。暴胀于 1981 年提出，精确地解释了各种观测结果。然而，仍然存在许多可能的理论问题，首先是暴胀场到底是什么，以及是什么赋予了它如此巨大的初始势能。

一种不太为人所知的解决难题的方法是遵循第二种替代方案，即消除奇点。如果时间不是从大爆炸开始的，如果现在的宇宙膨胀开始之前有一个漫长的时代，物质可能已经有足够的时间来平稳地排列自身。因此，研究人员重新审查了导致他们推断出奇点的推理。

其中一个假设——相对论始终有效——是值得怀疑的。在假定的奇点附近，量子效应必定是重要的，甚至是主导的。标准相对论没有考虑到这些效应，因此接受奇点的必然性相当于不合理地信任该理论。为了了解真正发生了什么，物理学家需要将相对论纳入量子引力理论中。这项任务一直困扰着包括阿尔伯特·爱因斯坦在内的理论家，但在 20 世纪 80 年代中期之前，几乎没有任何进展。

革命的演变

今天，两种方法脱颖而出。一种是环量子引力，它基本上保留了爱因斯坦的理论，但改变了在量子力学中实现它的程序[参见李·斯莫林的“时空不一定是连续的”]。环量子引力的实践者在过去几年中取得了巨大的进步，并获得了深刻的见解。尽管如此，他们的方法可能不够革命性，无法解决量子化引力的基本问题。粒子理论家在恩里科·费米于 1934 年提出他的弱核力有效理论后也面临着类似的问题。所有构建费米理论量子版本的努力都惨遭失败。所需要的不是新技术，而是谢尔登·L·格拉肖、史蒂文·温伯格和阿卜杜斯·萨拉姆在 20 世纪 60 年代后期带来的电弱理论的深刻修改。

第二种方法，我认为更有希望的方法，是弦理论——对爱因斯坦理论的真正革命性的修改。本文将重点介绍它，尽管环量子引力的支持者声称得出了许多相同的结论。

弦理论源于我在 1968 年写下的一个模型，用于描述核粒子（如质子和中子）及其相互作用的世界。尽管最初引起了广泛的兴奋，但该模型失败了。几年后，它被量子色动力学所取代，量子色动力学用更基本的组成部分——夸克——来描述核粒子。夸克被限制在质子或中子内部，就像它们被弹性弦捆绑在一起一样。回顾过去，最初的弦理论捕捉到了核世界的弦状方面。直到后来，它才作为结合广义相对论和量子理论的候选者而被复兴。

基本思想是，基本粒子不是点状的，而是无限细的、一维的物体——弦。大量的基本粒子，每个粒子都有其自身的特征属性，反映了弦的许多可能的振动模式。如此简单的理论如何描述粒子及其相互作用的复杂世界？答案可以在我们称之为量子弦魔法的东西中找到。一旦将量子力学规则应用于振动弦——就像微型小提琴弦一样，只是振动沿着它以光速传播——就会出现新的属性。所有这些都对粒子物理学和宇宙学具有深远的影响。

首先，量子弦具有有限的大小。如果不是量子效应，小提琴弦可以对半切开，再次对半切开，等等，一直到最后，最终变成一个无质量的点状粒子。然而，海森堡不确定性原理最终会介入，并阻止最轻的弦被切成小于约 10⁻³⁴ 米。这个不可约的量子长度，用 l_s 表示，是弦理论与光速 c 和普朗克常数 h 并列引入的一个新的自然常数。它几乎在弦理论的每个方面都起着至关重要的作用，对原本可能变为零或无限大的量设置了有限的限制。

其次，即使量子弦没有质量，它们也可能具有角动量。在经典物理学中，角动量是物体绕轴旋转的属性。角动量的公式将速度、质量和到轴的距离相乘；因此，无质量物体不可能有角动量。但量子涨落改变了这种情况。一个微小的弦可以获得高达两个单位的 h 角动量，而不会增加任何质量。这个特征非常受欢迎，因为它与所有已知基本力的载体（如光子（用于电磁力）和引力子（用于引力））的属性精确匹配。从历史上看，角动量是让物理学家意识到弦理论的量子引力含义的关键。

第三，量子弦要求存在额外的空间维度，除了通常的三个维度之外。经典小提琴弦无论空间和时间的属性如何都会振动，但量子弦则更加挑剔。描述振动的方程变得不一致，除非时空要么是高度弯曲的（与观测结果相矛盾），要么包含六个额外的空间维度。

第四，物理常数——如牛顿常数和库仑常数，它们出现在物理学方程中并决定着自然的属性——不再具有任意的、固定的值。它们在弦理论中以场的形式出现，很像电磁场，可以动态地调整它们的值。这些场可能在不同的宇宙学时代或遥远的空间区域中取不同的值，甚至在今天，物理“常数”也可能发生少量变化。观察到任何变化都将极大地推动弦理论的发展。

其中一个场，称为膨胀子，是弦理论的万能钥匙；它决定了所有相互作用的整体强度。膨胀子吸引着弦理论家，因为它的值可以重新解释为额外空间维度的大小，总共给出 11 个时空维度。

理清头绪

最后，量子弦向物理学家介绍了一些引人注目的自然界的新对称性，称为对偶性，它改变了我们对物体变得极小时会发生什么情况的直觉。我已经暗示了一种对偶性形式：通常，短弦比长弦轻，但如果我们试图将其大小压缩到基本长度 l_s 以下，弦会再次变重。

对称性的另一种形式，T-对偶性，认为小的和大的额外维度是等价的。这种对称性的出现是因为弦可以比点状粒子以更复杂的方式移动。考虑一个位于圆柱形空间上的闭弦（环），其圆形横截面代表一个有限的额外维度。除了振动之外，弦还可以像围绕卷起的招贴画缠绕的橡皮筋一样，整体围绕圆柱体转动或缠绕在其周围一次或多次[见下方框图]。

这两种弦状态的能量成本取决于圆柱体的大小。缠绕的能量与圆柱体半径成正比：较大的圆柱体需要弦在缠绕时拉伸得更多，因此缠绕比在较小的圆柱体上包含更多的能量。另一方面，与围绕圆圈运动相关的能量与半径成反比：较大的圆柱体允许更长的波长（更小的频率），这表示比更短的波长更少的能量。如果用较大的圆柱体代替较小的圆柱体，则两种运动状态可以互换角色。曾经由圆周运动产生的能量现在由缠绕产生，反之亦然。外部观察者只注意到能级，而不是这些能级的起源。对于该观察者来说，大半径和小半径在物理上是等价的。

尽管 T-对偶性通常用圆柱形空间来描述，其中一个维度（圆周）是有限的，但它的一个变体适用于我们通常的三个维度，这三个维度似乎无限延伸。在谈论无限空间的膨胀时必须小心。它的整体大小无法改变；它仍然是无限的。但它仍然可以膨胀，因为嵌入其中的物体（如星系）彼此远离。关键变量不是整个空间的大小，而是它的尺度因子——星系之间距离变化的因子，表现为天文学家观察到的星系红移。根据 T-对偶性，具有小尺度因子的宇宙等价于具有大尺度因子的宇宙。爱因斯坦方程中不存在这种对称性；它从弦理论体现的统一性中出现，膨胀子在其中起着核心作用。

多年来，弦理论家认为 T-对偶性仅适用于闭弦，而不适用于开弦，开弦具有松散的端点，因此无法缠绕。1995 年，已故的加州大学圣巴巴拉分校的约瑟夫·波尔钦斯基意识到，T-对偶性确实适用于开弦，前提是大小半径之间的切换伴随着弦端点条件的变化。在那之前，物理学家假设了边界条件，其中没有力作用在弦的末端，使它们可以自由摆动。在 T-对偶性下，这些条件变成了所谓的狄利克雷边界条件，由此端点保持静止。

任何给定的弦都可以混合两种类型的边界条件。例如，电子可能是弦，其端点可以在 10 个空间维度中的 3 个维度中自由移动，但在其他 7 个维度中被卡住。这三个维度形成一个子空间，称为狄利克雷膜或 D-膜。1996 年，加州大学伯克利分校的彼得·霍拉瓦和新泽西州普林斯顿高等研究院的爱德华·威滕提出，我们的宇宙就位于这样的膜上。电子和其他粒子的部分移动性解释了为什么我们无法感知空间完整的 10 维荣耀。

量子弦的所有神奇属性都指向一个方向：弦憎恶无限。它们无法坍缩成无限小的点，因此它们避免了坍缩带来的悖论。它们的非零大小和新颖的对称性为传统理论中无限增加的物理量设置了上限，并为减小的量设置了下限。弦理论家预计，当人们在时间上倒放宇宙的历史时，时空曲率开始增加。但是，它最终不会一直达到无穷大（在传统的大爆炸奇点处），而是最终达到最大值并再次缩小。在弦理论出现之前，物理学家很难想象任何机制能够如此干净利落地消除奇点。

驯服无限

大爆炸零时间附近的条件非常极端，以至于没有人知道如何求解方程。尽管如此，弦理论家还是对大爆炸前的宇宙做出了猜测。目前流传着两种流行的模型。

第一种模型，称为大爆炸前情景，我和我的同事于 1991 年开始开发，它将 T-对偶性与更广为人知的时间反演对称性相结合，由此物理学方程在向前和向后应用于时间时都同样有效。这种组合产生了新的可能的宇宙学，其中宇宙在大爆炸前五秒的膨胀速度与大爆炸后五秒的膨胀速度相同。然而，膨胀变化率在这两个瞬间是相反的：如果在大爆炸后减速，则在大爆炸前加速。简而言之，大爆炸可能不是宇宙的起源，而仅仅是从加速到减速的剧烈转变。

这个图景的美妙之处在于，它自动地融入了标准暴胀理论的伟大见解——即，宇宙必须经历一个加速时期才能变得如此均匀和各向同性。在标准理论中，加速发生在大爆炸之后，原因是特设的暴胀场。在大爆炸前情景中，加速发生在大爆炸之前，这是弦理论新颖对称性的自然结果。

根据这个情景，大爆炸前的宇宙几乎是大爆炸后宇宙的完美镜像[见下方框图]。如果宇宙在未来是永恒的，其内容物会稀薄到微不足道的糊状物，那么它在过去也是永恒的。在无限久远的过去，它几乎是空的，只充满了稀薄的、广泛分散的、混乱的辐射和物质气体。自然力受膨胀子场控制，非常微弱，以至于这种气体中的粒子几乎没有相互作用。

随着时间的推移，力越来越强，并将物质拉到一起。随机地，一些区域以牺牲周围环境为代价积累了物质。最终，这些区域的密度变得如此之高，以至于黑洞开始形成。这些区域内部的物质随后与外部隔绝，将宇宙分裂成不相连的碎片。

在黑洞内部，空间和时间互换角色。黑洞的中心不是空间中的一个点，而是一个时间瞬间。随着落入物质接近中心，它达到了越来越高的密度。但是，当密度、温度和曲率达到弦理论允许的最大值时，这些量反弹并开始减小。那个反转的时刻，称为大爆炸，后来被重新命名为“大反弹”。这些黑洞之一的内部变成了我们的宇宙。

毫不奇怪，这种非常规的情景引起了争议。斯坦福大学的安德烈·林德认为，为了使这个情景与观测结果相符，产生我们宇宙的黑洞必须以异常大的尺寸形成——远大于弦理论的长度尺度。对这个反对意见的回答是，方程预测了所有可能尺寸的黑洞。我们的宇宙恰好在一个足够大的黑洞内部形成。

法国比雷叙尔伊薇特高等科学研究所的蒂博·达穆尔和布鲁塞尔自由大学的马克·亨内奥提出的一个更严重的反对意见是，物质和时空在大爆炸时刻附近的行为会变得混乱，这可能与早期宇宙的观测规律性相矛盾。我曾提出，混乱状态会产生由微型“弦洞”组成的高密度气体——这些弦非常小而巨大，以至于它们正处于变成黑洞的边缘。这些洞的行为可以解决达穆尔和亨内奥提出的问题。加州大学圣克鲁兹分校的托马斯·班克斯和德克萨斯大学奥斯汀分校的威利·费希勒也提出了类似的建议。也存在其他批评意见，这些批评意见是否揭示了该情景的致命缺陷仍有待确定。

大爆炸前宇宙的另一个主要模型是所谓的火劫（“大火灾”）情景。由一组宇宙学家和弦理论家——现在的宾夕法尼亚大学的贾斯汀·库里、普林斯顿大学的保罗·J·斯坦哈特、宾夕法尼亚大学的伯特·A·奥夫鲁特、高等研究院的内森·塞伯格和现在的安大略省周界理论物理研究所的尼尔·图罗克——开发的火劫情景依赖于前面提到的霍拉瓦-威滕的观点，即我们的宇宙位于更高维度空间的一端，而“隐藏膜”位于另一端。这两个膜相互施加吸引力，偶尔会碰撞，使额外的维度缩小为零，然后再增大。大爆炸将对应于碰撞的时间[见下方框图]。

在这种情景的一个变体中，碰撞是周期性发生的。两个膜可能会碰撞、彼此弹开、分开、相互拉近、再次碰撞，等等。在碰撞之间，膜的行为就像橡皮泥一样，随着它们后退而膨胀，并在它们重新聚集在一起时略微收缩。在转折期间，膨胀率加速；事实上，宇宙目前加速膨胀可能预示着另一次碰撞。

大爆炸前和火劫情景共享一些共同特征。两者都始于一个巨大、寒冷、几乎空旷的宇宙，并且两者都面临着在爆炸前和爆炸后阶段之间进行过渡的困难（且尚未解决）的问题。在数学上，这两个情景之间的主要区别在于膨胀子场的行为。在大爆炸前，膨胀子以低值开始——因此自然力很弱——并稳步增强。火劫情景则相反，其中碰撞发生在力最弱的时候。

火劫理论的开发者最初希望力的微弱性将使反弹更容易分析，但他们仍然面临着困难的高曲率情况，因此陪审团尚未就该情景是否真正避免了奇点做出裁决。此外，火劫情景必须包含非常特殊的条件才能解决通常的宇宙学难题。例如，即将碰撞的膜必须几乎完全彼此平行，否则碰撞不可能产生足够均匀的大爆炸。循环版本可能能够解决这个问题，因为连续的碰撞将允许膜自我拉直。

撇开完全证明这两种情景在数学上的合理性的艰巨任务不谈，物理学家必须问，它们是否具有任何可观察到的物理后果。乍一看，这两种情景可能看起来不是物理学中的练习，而是形而上学中的练习——观察者永远无法证明其正确或错误的有趣想法。这种态度过于悲观。与暴胀阶段的细节一样，可能的爆炸前时代的细节也可能具有可观察到的后果，特别是对于在宇宙微波背景温度中观察到的小波动。

首先，观测表明，温度波动是由声波在几十万年内形成的。波动的规律性表明，这些波是同步的。多年来，宇宙学家已经放弃了许多宇宙学模型，因为它们未能解释这种同步性。暴胀、大爆炸前和火劫情景都通过了第一个测试。在这三个模型中，波是由量子过程触发的，量子过程在宇宙加速膨胀期间被放大。波的相位是对齐的。

其次，每个模型都预测了温度波动相对于角大小的不同分布。观察者发现，所有大小的波动都具有大致相同的振幅。（仅在非常小的尺度上才出现可辨别的偏差，对于这些尺度，原始波动已被随后的过程改变。）暴胀模型巧妙地再现了这种分布。在暴胀期间，空间曲率变化相对缓慢，因此不同大小的波动在几乎相同的条件下产生。在弦理论模型中，曲率演化迅速，增加了小尺度波动的振幅，但其他过程增强了大尺度波动的振幅，使所有波动都具有相同的强度。对于火劫情景，那些其他过程涉及空间的额外维度，即分隔碰撞膜的维度。对于大爆炸前情景，它们涉及一个量子场，轴子，它与膨胀子有关。简而言之，所有三个模型都与数据相符。

第三，温度变化可能源于早期宇宙中的两个不同过程：物质密度波动和引力波引起的涟漪。暴胀涉及这两个过程，而大爆炸前和火劫情景主要涉及密度变化。某些大小的引力波会在宇宙微波背景的偏振中留下独特的特征。卫星和地面天文台可能能够看到该特征（如果存在）——这将提供几乎确定的测试。

第四个测试与波动的统计数据有关。在暴胀中，波动遵循钟形曲线，物理学家称之为高斯曲线。火劫情景也可能是如此，而大爆炸前情景允许与高斯性发生相当大的偏差。

分析微波背景不是验证这些理论的唯一方法。大爆炸前情景还应该产生一个随机的引力波背景，其频率范围对于微波背景而言无关紧要，但应该可以被未来的引力波天文台探测到。此外，由于大爆炸前和火劫情景都涉及膨胀子场的变化，而膨胀子场与电磁场耦合，因此它们都将导致大规模磁场波动。这些波动的遗迹可能会在星系和星系际磁场中显现出来。

那么时间是什么时候开始的？科学还没有确凿的答案，但至少有两种可能经过检验的理论似乎认为，宇宙——因此时间——在大爆炸之前就已存在。如果这两种情景中的任何一种是正确的，那么宇宙将永远存在，即使有一天它会重新坍缩，也永远不会结束。