宇宙大爆炸真的是时间的开端吗？或者宇宙在那之前就存在了？ 仅仅在十年前，这样的问题似乎还是近乎亵渎神明的。 大多数宇宙学家坚持认为这根本没有意义——思考大爆炸之前的时间就像问路去北极以北的地方一样。 但是理论物理学的发展，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的最新前沿。
重新考虑大爆炸之前可能发生的事情的新意愿，是数千年来来回摇摆的智力摆锤的最新一次摆动。 在某种形式上，关于终极开端的问题吸引了几乎所有文化中的哲学家和神学家。 它与一系列宏大的关切交织在一起，这些关切在保罗·高更于 1897 年创作的一幅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——而这些个人的关切直接与宇宙的关切联系起来。 我们可以追溯我们的血统，经过世世代代，回到我们的动物祖先，回到生命的早期形式和原生生命，回到原始宇宙中合成的元素，回到在那之前沉积在太空中的无定形能量。 我们的家谱会永远向前延伸吗？ 还是它的根会终止？ 宇宙是否像我们一样是短暂的？
古代希腊人激烈地争论时间的起源。 亚里士多德站在无开端的一边，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成存在，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采取相反的观点。 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，将这些构造带入存在。 当被问及，上帝在创造世界之前在做什么？ 奥古斯丁回答说，时间本身就是上帝创造的一部分，根本没有之前！
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阿尔伯特·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、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，像潮汐上的浮木一样携带物质。 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。 正如物理学家斯蒂芬·W·霍金和罗杰·彭罗斯在 20 世纪 60 年代证明的那样，一个后果是时间不能无限期地向后延伸。 当你倒放宇宙历史时，所有星系都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一个黑洞中。 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，我们的宇宙血统无法超越它。
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同质性和各向同性不协调。 为了使宇宙在各个地方看起来大致相同，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。 但是这种通信的想法与旧的宇宙学范式相矛盾。
具体来说，考虑一下自宇宙微波背景辐射释放以来 137 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（因为光的速度超过了膨胀速度）。 我们今天看到的宇宙部分是我们在 137 亿年前无法看到的。 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。
奇怪的巧合
尽管如此，银河系的属性与遥远星系的属性基本相同。 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，这可以解释为巧合，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都被赋予了相同的属性——换句话说，同质性仅仅是巧合。 然而，物理学家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的宇宙更小或更老。 两者中的任一者（或两者同时作用）都将使相互通信成为可能。
最流行的选择遵循第一个替代方案。 它假设宇宙在其历史早期经历了一个加速膨胀的时期，称为暴胀。 在这个阶段之前，星系或它们的前身非常紧密地聚集在一起，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，因为光无法跟上狂热的膨胀速度。 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。
物理学家将暴胀喷发归因于储存在一个新的量子场——暴胀场中的势能，大约在宇宙大爆炸后 10
35 秒。 与静止质量或动能相反，势能会导致引力排斥。 暴胀场加速了膨胀，而不是像普通物质的引力那样减慢膨胀速度。 暴胀于 1981 年提出，已经精确地解释了各种观测结果[参见艾伦·H·古思和保罗·J·斯坦哈特的《暴胀宇宙》；《大众科学》，1984 年 5 月；以及《宇宙学的四个关键》，特别报道；《大众科学》，2004 年 2 月]。 然而，仍然存在许多可能的理论问题，首先是暴胀场究竟是什么，以及是什么赋予了它如此巨大的初始势能。
一种不太广为人知的解决难题的方法是遵循第二个替代方案，即摆脱奇点。 如果时间不是从大爆炸开始的，如果在一个漫长的时代先于当前宇宙膨胀的开始，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，甚至是主要的。 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。 为了知道真正发生了什么，物理学家需要将相对论包含在量子引力理论中。 从爱因斯坦开始，这项任务就一直困扰着理论家，但直到 20 世纪 80 年代中期，进展几乎为零。
革命的演变
今天，两种方法脱颖而出。 其中一种名为圈量子引力，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《空间和时间的原子》，第 82 页]。 圈量子引力的实践者在过去几年中取得了长足的进步，并获得了深刻的见解。 然而，他们的方法可能还不够革命性，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。 构建费米理论的量子版本的努力都惨遭失败。 所需要的不是一种新技术，而是 20 世纪 60 年代后期谢尔顿·L·格拉肖、史蒂文·温伯格和阿卜杜斯·萨拉姆提出的电弱理论带来的深刻修改。
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。 本文将重点关注它，尽管圈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，该模型描述了核粒子（如质子和中子）及其相互作用的世界。 尽管最初引起了很大的轰动，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，就好像它们被弹性弦束缚在一起一样。 回顾过去，最初的弦理论捕获了核世界的弦状方面。 只是后来它才作为结合广义相对论和量子理论的候选者而复兴。
基本思想是基本粒子不是点状的，而是无限细的一维物体，即弦。 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术的东西中找到。 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，小提琴弦可以切成两半，再次切成两半，依此类推，一直到最后变成一个无质量的点状粒子。 但是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 ls 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。 它在弦理论的几乎每个方面都起着至关重要的作用，对原本可能变为零或无穷大的量设置了有限的限制。
其次，量子弦即使没有质量也可能具有角动量。 在经典物理学中，角动量是物体相对于轴旋转的属性。 角动量的公式将速度、质量和到轴的距离相乘； 因此，无质量的物体不可能有角动量。 但是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，因为它与所有已知的基本力的载体（如光子（用于电磁力）和引力子（用于引力））的属性完全匹配。 从历史上看，角动量是物理学家了解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。 无论空间和时间的属性如何，经典小提琴弦都会振动，而量子弦则更为挑剔。 描述振动的方程变得不一致，除非时空高度弯曲（与观测结果相矛盾）或包含六个额外的空间维度。
第四，物理常数——例如牛顿常数和库仑常数，它们出现在物理方程中并决定自然的属性——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。 这些场在不同的宇宙学时代或遥远的空间区域可能具有不同的值，甚至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，称为膜胀子，是弦理论的万能钥匙； 它决定了所有相互作用的整体强度。 膜胀子吸引了弦理论家的注意，因为它的值可以被重新解释为额外空间维度的大小，总共给出 11 个时空维度。
系紧松散的末端
最后，量子弦向物理学家介绍了一些引人注目的自然新对称性，称为对偶性，这些对称性改变了我们对物体变得非常小时会发生什么情况的直觉。 我已经暗示了一种形式的对偶性：通常，短弦比长弦更轻，但是如果我们试图将其大小压缩到基本长度 ls 以下，弦会再次变重。
另一种形式的对称性，T-对偶性，认为小尺寸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更复杂的方式移动。 考虑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，弦还可以像包裹在卷起的招贴画上的橡皮筋一样，整体围绕圆柱体转动或缠绕在圆柱体上一次或多次[参见对面页面的方框]。
弦的这两种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更多，因此缠绕比在较小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），这比更短的波长代表更少的能量。 如果用一个大圆柱体代替一个小圆柱体，则两种运动状态可以交换角色。 曾经由圆周运动产生的能量改为由缠绕产生，反之亦然。 外界观察者只注意到能量水平，而没有注意到这些水平的来源。 对于该观察者而言，大半径和小半径在物理上是等效的。
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，但它的变体适用于我们通常的三个维度，这些维度似乎无限延伸。 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。 但是它仍然可以膨胀，因为嵌入其中的物体（如星系）彼此远离。 关键变量不是空间的整体大小，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效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； 它源于弦理论体现的统一，其中膜胀子起着核心作用。
多年来，弦理论家认为 T-对偶性仅适用于闭弦，而不是开放弦，开放弦具有松散的末端，因此无法缠绕。 1995 年，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放弦，前提是大小半径之间的切换伴随着弦端点条件的变化。 在此之前，物理学家假设了边界条件，其中没有力作用在弦的末端，使它们可以自由地拍打。 在 T-对偶性下，这些条件变成了所谓的狄利克雷边界条件，即末端保持静止。
量子弦的所有神奇属性都指向一个方向：弦厌恶无穷大。 它们不会坍缩成一个无限小的点，因此它们避免了坍缩所带来的悖论。 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，当人们倒放宇宙的历史时，时空曲率开始增加。 但是，它最终没有一直达到无穷大（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，物理学家很难想象有任何机制可以如此干净利落地消除奇点。
驯服无限
宇宙大爆炸零时附近的条件非常极端，以至于没有人知道如何求解方程。 然而，弦理论家对大爆炸前的宇宙进行了猜测。 有两种流行的模型在流传。
第一个模型，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，由此物理方程在向后和向前应用时都同样有效。 这种组合产生了新的可能的宇宙学，其中宇宙，例如，在大爆炸前五秒以与大爆炸后五秒相同的速度膨胀。 但是膨胀的变化率在两个瞬间是相反的：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包含了标准暴胀理论的伟大见解——即宇宙必须经历一个加速膨胀的时期才能变得如此均匀和各向同性。 在标准理论中，加速发生在宇宙大爆炸之后，因为存在一个临时的暴胀场。 在大爆炸前情景中，加速发生在宇宙大爆炸之前，这是弦理论的新颖对称性的自然结果。
根据该情景，大爆炸前的宇宙几乎是大爆炸后宇宙的完美镜像[参见第 77 页的方框]。 如果宇宙在未来是永恒的，其内容稀疏到微不足道的粥状，那么它在过去也是永恒的。 在无限久远的过去，它是几乎空无一物的，只充满了稀薄、广泛分散、混乱的辐射和物质气体。 自然力由膜胀子场控制，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，力量增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物质。 最终，这些区域中的密度变得如此之高，以至于黑洞开始形成。 然后，这些区域内部的物质与外部隔绝，将宇宙分裂成不相连的碎片。
在黑洞内部，空间和时间交换角色。 黑洞的中心不是空间中的一个点，而是一个时间瞬间。 随着下落的物质接近中心，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，这些量会反弹并开始减小。 我们称之为大爆炸的逆转时刻。 其中一个黑洞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，为了使这种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。 对此异议的回答是，方程预测所有可能大小的黑洞。 我们的宇宙恰好在一个足够大的宇宙内部形成。
布雷斯河畔比雷的科学高级研究所的蒂博·达穆尔和布鲁塞尔自由大学的马克·埃诺提出的一个更严重的异议是，物质和时空在大爆炸时刻附近的行为会是混乱的，这可能与观测到的早期宇宙的规律性相矛盾。 我最近提出，混乱状态会产生致密的微型弦洞气体——弦太小且质量太大，以至于它们处于即将变成黑洞的边缘。 这些洞的行为可以解决达穆尔和埃诺提出的问题。 罗格斯大学的托马斯·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。 还存在其他批评，这些批评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火劫（大灾变）情景。 火劫情景由一组宇宙学家和弦理论家在五年前开发——哥伦比亚大学的贾斯汀·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·塞伯格和剑桥大学的尼尔·图罗克——火劫情景依赖于先前提到的霍拉瓦-威滕思想，即我们的宇宙位于更高维度空间的一端，而一个隐藏的膜位于另一端。 这两个膜相互施加吸引力，偶尔会碰撞，使额外维度缩小到零，然后再增长。 大爆炸将对应于碰撞的时间[参见第 78 页的方框]。
在该情景的一个变体中，碰撞是周期性发生的。 两个膜可能会撞击、彼此弹开、分开、相互拉近、再次撞击，依此类推。 在碰撞之间，这些膜的行为就像傻瓜橡皮泥一样，在后退时膨胀，在重新聚集时略微收缩。 在转折期间，膨胀率加速； 事实上，当前宇宙的加速膨胀可能预示着另一次碰撞。
大爆炸前情景和火劫情景有一些共同特征。 两者都始于一个巨大、寒冷、几乎空无一物的宇宙，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）问题。 从数学上讲，这两种情景之间的主要区别在于膜胀子场的行为。 在大爆炸前，膜胀子以较低的值开始——因此自然力很弱——并稳步增强。 火劫情景则相反，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弹跳更容易分析，但他们仍然面临着困难的高曲率情况，因此该情景是否真正避免了奇点尚无定论。 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行拉直。
撇开充分证明这两种情景在数学上的正确性的艰巨任务不谈，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对错的有趣想法。 这种态度过于悲观。 就像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变化。
首先，观测表明，温度波动是由声波塑造了数十万年的。 波动规律性表明，这些波是同步的。 多年来，宇宙学家已经抛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。 在这三种模型中，波是由宇宙加速膨胀期间放大的量子过程触发的。 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尺寸的不同分布。 观察者发现，所有尺寸的波动都具有大致相同的幅度。 （只有在非常小的尺度上才会出现可辨别的偏差，在这种尺度上，原始波动已被后续过程改变。）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，因此不同尺寸的波动在非常相似的条件下产生。 在弦模型中，曲率演化迅速，增加了小尺度波动的幅度，但其他过程增强了大尺度波动，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，它与膜胀子有关。 简而言之，所有三种模型都与数据匹配。
第三，温度变化可能来自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。 特定尺寸的引力波会在微波背景的偏振中留下独特的印记[参见罗伯特·R·考德威尔和马克·卡米翁科夫斯基的《来自大爆炸的回声》；《大众科学》，2001 年 1 月]。 未来的天文台，如欧洲航天局的普朗克卫星，应该能够看到该印记（如果它存在）——提供一个几乎确定的测试。
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，物理学家将其称为高斯分布。 火劫情况也可能是如此，而大爆炸前情景允许与高斯性发生相当大的偏差。
那么，时间是什么时候开始的？ 科学还没有一个确凿的答案，但至少有两种可能可检验的理论合理地认为宇宙——以及时间——在大爆炸之前就存在了。 如果这两种情景中的任何一种是正确的，那么宇宙就一直存在，即使有一天它会重新坍缩，也永远不会结束。
作者
加布里埃莱·韦内齐亚诺，欧洲核子研究中心的一位理论物理学家，是 20 世纪 60 年代后期弦理论之父——他因此获得了美国物理学会和美国物理研究所 2004 年海涅曼奖。 当时，该理论被认为是失败的； 它没有实现解释原子核的目标，韦内齐亚诺很快将注意力转移到量子色动力学，并为此做出了重大贡献。 在弦理论在 20 世纪 80 年代作为引力理论卷土重来之后，韦内齐亚诺成为最早将其应用于黑洞和宇宙学的物理学家之一。