【《大爆炸之前：宇宙的起源以及宇宙之外的事物》第一节 我们的宇宙特别吗？ 著者：Laura Mersini-Houghton. 译者：老白】
多年来，我走遍了世界各地的机场，但地拉那的特蕾莎修女机场在我的记忆中最为深刻。在这里，我的科学之旅插上了翅膀。
1994 年 1 月，我离开封闭的阿尔巴尼亚，来到美国开始新的生活。我的旅程是我从未想象过的：我获得了在美国大学学习的全额奖学金。
几年前，阿尔巴尼亚开始摆脱共产主义的枷锁，美国大使馆和美国文化中心重新打开了关闭近五十年的大门。此后不久，美国向阿尔巴尼亚人提供了富布赖特学者项目。我当时正即将从地拉那大学物理系本科毕业，在决定下一步的生活和职业发展方向；我知道自己想继续攻读高等学位，但阿尔巴尼亚的教育系统没有提供研究生物理课程。出国留学是唯一的出路。
富布赖特项目被广泛宣传，鼓励学生申请。根据我在阿尔巴尼亚的经历，在那里，成绩并不重要，政治关系才是一切，我当时觉得，像我这样的人只需填写一份申请表并参加一些标准化考试就能获得奖学金去美国学习的想法好得不像真的。几个月后，我收到了一封信，祝贺我获得了富布赖特奖学金，可以到马里兰大学学院帕克分校学习一学年的高等物理学。这是第一个授予阿尔巴尼亚人的富布赖特科学奖学金，也是我第一次体验到美国择优录取制度的公平性。
父母和哥哥陪我一起去机场道别。除了数学和家庭，我父亲的另外两个爱好是登山和下棋。当我妈妈和弟弟的眼泪夺眶而出时，我爸爸忍不住提出了一些最后的建议。”真正好的科学就像爬山，"他说。"这需要高超的技巧、耐力和在科学诚信上绝不妥协的勇气。但是，山顶的景色令人叹为观止，牺牲是值得的"。他补充说，就像下棋一样，"如果你想下好，你必须至少比对手早想好走三步。你必须预测并准备好可能出错的地方，不仅是第一步，还有第二步和第三步的任何可能的组合和结果"。他的意思是，我应该彻底检查我的想法，看看它们是否与大的远景一致或不一致，这样我就能预测到它们可能出错的地方。
当我们拥抱在一起时，我就已经开始想念他们了。爸爸回过头来看着我，用颤抖的声音告诉我只有父母才能对孩子说的话：”不要回头，我们会没事的"。
我登上了瑞士航空公司的飞机，不知道在一个我谁也不认识的国家，在一个远离我童年故乡的汪洋大海中，我的新生活会是什么样子。我无法预料，为期一年的富布赖特奖学金会让我被一所美国研究生院录取，并从此开始终生的学习生涯。我也没有想到，美国会成为我的新家。
当我们降落在巴尔的摩/华盛顿国际机场时，薄雾笼罩着飞机，遮住了地面。我通过了海关，马里兰大学国际学生和学者服务办公室的工作人员正在等候迎接我。外面，大片大片的雪花不断飘落。当我们到达校园附近的一家酒店时，雪已经变成坚实的了，暴风雪变成了历史性的大暴雪。所有的机场、华盛顿特区，一切都陷入了停顿。临近傍晚，我看着快速飘落的雪花和结冰的路面，它们在路灯下闪烁着令人毛骨悚然的光芒。
我在美国的第一个星期是靠酒店在大堂为所有滞留的客人提供的甜甜圈和过滤咖啡度过的。我在第一周所经历的安静沉思和惊奇的交织时刻（还有那些甜甜圈带来的甜味！）成为我在美国新生活的一个很好的比喻。
许多事情现在回想起来似乎显而易见，但说实话，我差点没有成为一名物理学家。几年前，作为阿尔巴尼亚的一名高中生，直到选拔截止日期前一周，我才决定在地拉那大学是主修物理还是数学。我两个都喜欢。我参加了全国奥林匹克数学和物理竞赛，希望这能解决我的难题。结果，我双双获胜，这让我更加难以抉择。于是我掷硬币：正面，物理；反面，数学。结果是正面。
虽然机缘巧合让我走上了物理学的道路，但我一直都知道，我想进入数字和硬科学的世界。在当时的阿尔巴尼亚，社会科学、经济学和人文学科大多是伪装的政治教条。历史是我们国家版本的共产主义神话和童话，甚至法学院也只是一个名称，因为没有辩护律师。对我来说，这些领域没有任何诱惑力。然而，许多被分配到自然科学领域的学生却将其视为一种惩罚。数学和物理大楼被嘲讽地称为"冬宫"。
不过，我喜欢数学，因为它纯粹的逻辑性和精确性消除了所有的模糊性和随意性，这在阿尔巴尼亚生活中是一种罕见的品质。我同样热爱物理，因为它将数学与创造力和直觉相结合，并通过思想将数学应用于实际环境中。最后，我主修了五年制高级物理课程；在中国，我知道中国科学技术大学也是五年制，物理学科水平也相当强。不过第二年，我决定也报名参加数学课程。
如果我在阿尔巴尼亚度过我的职业生涯，那么在物理学学位之外再获得一个数学学位就没有什么实际意义了。尽管如此，我的父母还是支持我的决定。我想我妈妈很高兴，因为我将全力以赴攻读两个学位，没有时间参加各种聚会；我爸爸也很高兴，因为我和他一样热爱数学。
我在阿尔巴尼亚的朋友们认为，把数学当做一种乐趣简直是痴人说梦，但来到美国，当我从酒店搬到小公寓，开始游走在马里兰大学广阔的校园里时，我发现自己周围的学生和我一样对数学充满热情，他们同样决心要充分利用这样的教育机会。
马里兰大学物理系拥有庞大的研究生课程。它开设了数量异常庞大的物理学高级课程，同时还有许多研究项目，包括世界一流的理论物理研究小组。在富布赖特期间，我充分利用了这些机会，报名参加了比要求多得多的课程。我还申请了 UMD 的研究生院，以便在奖学金结束后继续深造。幸运的是，我被录取了。
在马里兰大学约两百名物理学研究生中，只有三名是女性。但是，除了严重的性别差距之外，这里还有大量的多样性。在阿尔巴尼亚的几乎所有时间里，直到政权垮台，我只见过其他阿尔巴尼亚人；但是在这里，被来自如此多背景和地方的学生包围是一种全新而奇妙的体验。显然，世界比我所见的要大。
在马里兰大学的第二年，我意识到自己被有关宇宙的重大问题所吸引，特别是理论物理和宇宙学，即对整个宇宙的研究--一门真正意义上的宇宙级学科。
在工作生活中，理论物理学家的目标是破译大自然是如何运作的，小到可以想象的粒子，大到最遥远的距离。我们的工作方式包括：利用现有的自然规律，发现新的规律；使用经过验证的理论，并在必要时用更好的理论取而代之；求解这些规律和理论所依据的数学公式，以揭开下一个谜团。就像孩子一样，我们喜欢提问，从最基本的问题到最复杂的问题；我们提出各种离奇的想法，然后在运用严密的逻辑和观察测试之后，对其中的大多数进行无情的审查和抛弃。我们以缺乏日常实践技能而闻名，同时又热爱逻辑演绎和综合。
在马里兰大学，我加入了引力理论与宇宙学小组，该小组是围绕特定研究领域组织的几个由教师领导的小组之一。小组成员包括博士后和学生。(小组成员之一是查尔斯-米斯纳（Charles Misner），他是一位研究引力基础的著名物理学家；他曾是约翰-惠勒（John Wheeler）的学生，也曾是休-埃弗雷特（Hugh Everett）在普林斯顿大学的同学，我们将在本书后半部分见到这两位物理学家）。
在这个组织举办的一次研讨会上，我听到了一句令我震惊的话。演讲者向我们讲述了我们的宇宙诞生的几率，并得出结论：我们的宇宙以其形成的方式--高能量大爆炸--形成的几率几乎为零！事实上，这个几率是可以计算出来的，英国著名数学家和理论物理学家罗杰-彭罗斯（Roger Penrose，后来的诺贝尔奖获得者）在 20 世纪 70 年代末就已经计算出了这个几率。
当彭罗斯计算我们的宇宙自发形成的可能性时，他得到了一个惊人的数字：1/10^10^123。比一亿分之一的概率还小，是古戈尔普莱克斯（googolplex）之一。
在我看来，这是一个完全荒谬的数字。
数学家开玩笑说，googolplex 就是在 1 后面加上尽可能多的 0，直到你写累为止。这个数字比我们整个宇宙的长度还要长。
如果你是一位宇宙学家（即使你不是），彭罗斯的结论会让你深感不安。难道我们宇宙的诞生是如此特殊的事件，是在如此独特的环境下产生的，以至于它从未也永远不会重演？难道我们是某种奇异的宇宙彩票中几乎不可能的赢家？
彭罗斯与斯蒂芬-霍金一起，走得更远。他和霍金从最基本的原理推导出了一个逻辑论证定理（一个可以用数学方法证明的命题），即如果我们的宇宙自诞生以来一直在膨胀，那么它一定是从空间中一个能量密度简直是无限大的点--即所谓的奇点--开始的。
霍金和彭罗斯的奇点定理意味着，科学家们永远无法探索宇宙诞生的真实时刻，因为在宇宙诞生之前，什么都不存在，绝对不存在。这意味着我们永远无法复制或确定导致创世的条件，我们宇宙的创世确实超出了我们的研究能力。
当然，这也让我对这个问题产生了浓厚的兴趣。
当我住在马里兰州时，我最喜欢的周末活动之一就是在贝塞斯达的一家大型书店度过整个下午，浏览从文学到哲学再到艺术的任何主题的书籍，也就是说，除了物理学。
物理学是留给平时工作日白天和夜晚的。在工作日的晚上，我阅读了我所能阅读的一切科学文献，我甚至试图重现计算结果。我想了解彭罗斯是如何得出这个在我看来荒谬绝伦的宇宙结论的；我想试着追随那些被他说服的科学家同事们接受"在我们的宇宙出现之前什么都不存在"这一观点的论据。
虽然我对彭罗斯的论点很感兴趣，但他的结论并没有说服我。我不断回到彭罗斯的论文中，剖析和分析他的推理，希望要么被说服，要么找出他的推理可能在哪里走了弯路。当然，我从未想过自己能够解决彭罗斯和霍金用奇点定理围起来的问题。我没有妄想。我只是好奇而已。
我很快了解到，彭罗斯关于宇宙诞生的几率几乎为零的结论似乎坚如磐石。他的发现也简单得令人难以置信。他的发现基于一个基本的自然法则--热力学第二定律，而热力学第二定律是以十九世纪奥地利著名物理学家路德维希-玻尔兹曼的研究成果为基础的。
在阿尔巴尼亚读本科期间，我就了解到玻尔兹曼对热力学和原子理论的诸多贡献。(顺便提一下，教我热力学的教授后来成为了阿尔巴尼亚过渡时期的总统）。然而，直到后来我开始拆解彭罗斯的推导--他通过求解这些方程得到的解--我才完全理解并领会到他的工作的意义。
玻尔兹曼的发现不仅仅是一系列以他的名字命名的方程式。这些发现还构成了现代物理学发展的重要基石：这一突破揭示了事件自发产生的概率与熵概念之间至关重要的关系。事实上，正是玻尔兹曼的概率洞察力导致了彭罗斯的荒唐数字--我们的宇宙随机出现的几率几乎为零。
简单地说，玻尔兹曼的熵概念量化了无序状态。想象一下，在孩子们的衣橱里，摆满了大小不一、颜色各异的衬衫。在宏观层面上，衣橱的大小、墙壁的颜色以及里面衬衫的数量都可以很好地描述它。有一天，父母决定了一个整理衣橱的规则：所有的衬衫都要按尺寸从小到大挂起来。假设第二天，孩子们开始随意挂衬衫（或者更可能是把衬衫扔在衣柜地板上）。与父母的系统不同，孩子们的系统包含许多不同的可能性，而父母系统的具体排序--按尺码排列--是唯一的。但是，在衣橱的宏观描述中，这些关于父母或孩子们安排的信息并没有被考虑进去。事实上，孩子们每次以不同的方式摆放衬衫，打乱有序的衣橱，都会创造出新的配置，用物理学术语来说，就是新的微观状态。因此，与父母独特而整洁的系统不同，无序的衣橱有许多微观状态，因为有许多方法可以将其打乱。尽管在衣橱的宏观描述中无法捕捉到无序的具体细节，但我们仍然可以推断出，总体而言，无序的衣橱是不特别的，因为它比整洁的衣橱更容易被随机地发现。
这些微观状态集合中所包含的缺失信息就是玻尔兹曼熵【译者：包含的缺失的是矛盾的，作者的意思可能是需要熵这个概念和理论来描述状态】。熵计算了一个系统在不改变其宏观状态的情况下可能具有的所有微观状态，就像上面的衣柜例子一样。因此，熵测量的是一个系统的隐藏状态。在衣橱的例子中，熵通过数学公式详细描述了衣橱内部的细节和无序状态。
我已经知道什么是玻尔兹曼熵，但我真正好奇的是彭罗斯是如何把它与我们的宇宙随机出现的概率或不可能性联系起来的。熵与宇宙的诞生有什么关系？关于宇宙概率的知识是如何从熵的知识中定量产生的？
答案就刻在维也纳波兹曼墓的墓碑上。在墓碑的最顶端，这位著名物理学家的半身像上方，有一个不同寻常的墓志铭--一个数学公式：
S = k Log W
这是波尔兹曼最著名的方程式之一，也就是他的熵公式。在这个公式中，S 是我们要研究的系统的熵，例如儿童衣柜。W 是该系统的微观状态数；在我们的例子中，它是衣橱内所有可能的衬衫排列方式的数量。Ln 是自然对数*，k 是一个常数，即波尔兹曼常数。简单地说，熵与系统的微观状态数（对数）成正比。或者换句话说，一个系统可用的微观状态数 W 与它的熵 S 呈指数关系*。
玻尔兹曼墓碑上的公式让我们第一次从微观角度理解了构成系统的比特--微观状态--的熵。但是，直到我在研究生院重温这个公式时，我才发现他的洞察力的真正含义：这些比特的数量，即一个系统中可能存在的微观状态的数量（可以由其熵计算得出），无异于这个系统发生概率的直接度量。
例如，有许多不同的方法，许多微观状态（W），可以让衣橱变得杂乱无章，但只有少数方法可以让衣橱变得整洁有序。因此，如果我随机查看衣橱，发现它处于有序状态的可能性非常小。同样的原理也适用于更大的系统，甚至包括宇宙本身。
任何宏观系统，无论是一个衣橱还是整个宇宙，都有自己的一套微观状态，通过这些微观状态，它可以发生和实现。如果宇宙在其创生时刻有大量可能的微观状态，通过这些微观状态它可以产生，那么它随机产生的概率就很高。同样，如果某个创世模型能够实现的可能微观状态数量很少，那么它出现的概率就会呈指数级降低。
玻尔兹曼公式（该公式将一个系统的熵与其存在的概率联系在一起）意味着，为了使我们的宇宙比我们能想象到的任何其他宇宙都更不可能像彭罗斯计算的那样以指数形式偶然出现，我们的宇宙必须从一个极度有序的低熵状态开始。
当我不断尝试把彭罗斯对宇宙熵的推导联系起来时，我们的宇宙不可能存在的故事变得更加有趣了。我们怎么知道宇宙的熵是多少？计算它的熵需要什么信息？宇宙每时每刻的熵都在计算宇宙的所有微观状态，即宇宙组成部分的所有可能排列。它揭示了我们的宇宙有多么无序，以及我们对它还有哪些不了解的地方。
假设上一个例子中的衣橱和宇宙一样大。衬衫对应着所有原子、光子、恒星和星系—宇宙中的所有物质、能量和辐射。目前这些成分的数量是通过对我们宇宙的天体物理观测推断出来的。然而，每当我们从宇宙的不同侧面交换两个光子时，我们就会有一种新的排列，一种新的宇宙微观状态。每当一颗超新星爆炸并将其所有物质喷射到宇宙中时，我们就有了一种新的微观状态，尽管宏观宇宙整体上保持不变。就像在衣柜里的例子一样，如果科学家知道宇宙的物质和能量含量，他们就可以计算出这些比特的所有可能的扩散方式，并计算出一个系统的熵。彭罗斯就是这么做的。而事实证明，我们现在的宇宙的熵并没有那么大。【译者：这一段比较难，你懂了吗？】
但是，问题总是存在的，就我们的宇宙而言，问题就在于此：我们存在的概率并不取决于当前宇宙的熵，而是取决于创世时的熵。当然，这一点很难辨别，因为我们无法观测到创世的那一刻。然而，为了估算我们宇宙的概率，彭罗斯必须找到一种方法来推断宇宙诞生之初的熵。他是如何做到这一点的呢？我必须找出答案。
为了确定宇宙诞生时的熵值，我需要重温可能是最重要的自然法则：热力学第二定律。
热力学第二定律指出，一个系统的熵永远不会减少。无论开始时的熵是多少，熵总是随着时间的推移而增加。换句话说，任何系统的自然趋势都是变得更加无序，而不是减少。
试想两个相邻的房间由一扇隔热门连接。起初，第一个房间的温度较低（例如 40 华氏度），而第二个房间的温度较高（例如 103 华氏度）。热力学第二定律告诉我们，随着时间的推移，当连接门被打开时，房间的熵会发生什么变化。
由于空气分子在两个房间之间移动，两个房间的平均温度慢慢达到相同。然而，无序性也随之增加，因为我们有更多的空气分子，它们有更多的空间四处游荡，创造新的排列方式。它们可以从一个房间移动到另一个房间，然后再返回。热量逐渐传递到冷藏室，在两个房间内形成新的微观状态。时间越长，两个房间内产生的微观状态就越多，而且数量会不断增加，直到两个房间内所有地方的温度都相同为止。
此外，如果没有外部干预，这个过程是无法逆转的。无论我们等待多久，让最初热的房间再次变热，让冷的房间再次变冷，都不会发生！两个房间不可能自发地恢复到原来的状态。换句话说，相邻房间的熵会随着时间的推移不断增加--不可逆转。
这种行为是热力学第二定律的本质。无论哪个系统，熵随时间的增长都是普遍且不可逆的。自然界中任何系统的趋势都是试图通过随时间增加熵来达到平衡。如果我把它应用于整个宇宙，同样的结论也是不可避免的：系统--整个宇宙--的熵会随着时间不可逆转地增加。
我们知道现在宇宙的熵，因为通过空间和地表天体物理观测以及对宇宙膨胀的测量，我们可以计算出宇宙的所有内容（质量、能量和辐射），并在热力学第二定律的帮助下，我们可以推断出创世时的熵一定小于现在宇宙的熵。但是，宇宙在创世之初的熵究竟比现在小多少呢？仅仅断言当时的宇宙状态比现在的熵小，并不能为估计概率提供足够的信息。
还有一个问题。彭罗斯根据玻尔兹曼墓碑上的公式计算出我们的宇宙诞生的概率小得离谱，他的论证完全依赖于一个数字：宇宙诞生之初的熵值。然而，热力学第二定律无法提供创世之初熵值的精确数字。我越是深入研究，这部分谜题就越复杂。
要重建创世之初的宇宙熵，就必须追踪宇宙的演化过程，一直追溯到创世之初。但问题就在这里。现代版大爆炸理论对早期宇宙的描述（被称为宇宙暴胀）是公认的，它成功地解释了我们宇宙的几乎一切，但却描述了一个起源非常特殊的宇宙，一个熵值极低的宇宙。
宇宙暴胀理论认为，在眨眼之间，我们这个充满高能量的微小原始宇宙就通过一次巨大的爆炸变得更大了。它提供了一个令人信服的故事，说明一个微小的宇宙是如何自然地变大，并在后来充满生命的，它与观测结果的完美吻合有助于解释为什么它至今仍被科学家和公众广泛接受。
但彭罗斯的论文对宇宙暴胀理论提出了许多质疑。宇宙暴胀理论假设我们的宇宙处于高能量但极低熵的初始状态，这意味着我们的宇宙以这种方式开始的概率极小。彭罗斯指出了宇宙暴胀理论中的这一漏洞，从而对宇宙暴胀是我们宇宙的起源状态这一观点的正确性构成了最大的威胁。
一言以蔽之，这就是“臭名昭著”的宇宙起源问题。
我的计划很简单，就是放大宇宙膨胀的细节和之后发生的过程。我想让自己熟悉以前解决这个问题的尝试，尤其是了解这些尝试为什么失败和在哪失败。如果我们的特殊起源问题是宇宙暴胀的产物，那么也许我们需要抛弃这一理论，代之以更好的创世模型。正如我当时所想的那样，我们的宇宙不可能存在的显然性，是否表明我们对宇宙起源的普遍接受的解释存在着不同的问题，甚至是根本性的问题？还是我们完全没有抓住重点，问了一个错误的问题？后来我们看到，两者的答案都是肯定。