我们的宇宙是如何开始的？

1989 年柏林墙倒塌，这一重大历史事件改变了我的人生轨迹。虽然阿尔巴尼亚不是苏联的一部分，但变革的浪潮是无法忽视的。1990 年，学生们开始集会要求言论自由和多元化，但真正的革命在 1991 年才到来。那年 2 月，一群大学生在宿舍发起绝食，要求时任统治者拉米兹-阿利亚放弃权力。

【《大爆炸之前：宇宙的起源以及宇宙之外的事物》第二节 我们的宇宙是如何开始的？ 著者：Laura Mersini-Houghton. 译者：老白】

当时，我是地拉那大学的一名本科生，但我和父母住在家里，所以直到绝食当天我才知道绝食计划。随着时间的推移，我和朋友们以及他们的父母一起坐在宿舍外面，陪伴着绝食者。

当学生们的情况恶化时，几百名矿工步行 50 英里来到地拉那，决心解放学生并推翻政府。我和家人加入了学生、家长和矿工的行列，他们从宿舍出发前往市中心抗议。一路上，随着许多其他市民加入示威队伍，人群不断膨胀。年仅十八至二十岁的年轻士兵们一脸茫然，犹豫不决地将枪口对准人群。当天一个感人的时刻是，许多参加游行的阿尔巴尼亚老人勇敢地走过来拥抱士兵。他们把胸膛紧贴在枪管上，说："你们是我们的血脉，是我们的孩子，我们也在为你们的未来而战。你们自己的家人一定就在人群中的某个地方。不要向他们开枪。放下武器，加入我们的行列"。

当我们到达地拉那中心广场时，人群已扩大到数千人。军队出动封锁了街道，阻止人们参加抗议活动。街道关闭后，我们被困在广场上。直升机从头顶飞过，狙击手在屋顶上摆开阵势。人们开始在街上挖起鹅卵石，从建筑物内的楼梯上拆下大理石台阶来自卫，以防军队向他们开枪。如果士兵向人群开火，那将是一场大屠杀。但抗议者意识到，在欧洲最恶劣的独裁统治下等待了五十年之后，自由就在几小时之后，所以他们没有回头。

就在这紧张的时刻，我的弟弟消失在熙熙攘攘的人群中。我和爸爸让妈妈回家等弟弟，但结果是，妈妈白跑一趟；弟弟已经站到了抗议者的最前线。在我们周围，人群一遍遍高喊着"自由！打倒阿立亚。我们希望阿尔巴尼亚成为一个民主国家；我们希望阿尔巴尼亚像欧洲其他国家一样"。

警察、士兵和身着大衣、牵着凶猛的阿尔萨斯犬的特别安全部队蜂拥而至，但抗议者仍在不断高呼。随后，示威者开始推倒阿尔巴尼亚第一位共产党统治者恩维尔-霍查的巨型铜像，这座铜像似乎永远矗立在中心广场上。

士兵们蓄势待发，期待着接到射击命令。但不知什么原因，当巨像倒下时，他们的无线电通讯被切断了。

在喧闹声中，我们可以听到士兵们互相尖叫，询问命令是什么，为什么他们的无线电突然没了声音。后来，有传言说，拉米兹-阿利亚切断了信号，以防止将军们擅自行动，在未经他允许的情况下下令开火。令人难以置信的是，那天，阿尔巴尼亚的抗议活动和共产主义都在没有发生大屠杀的情况下结束了。我哥哥后来把霍查雕像基座上的大理石碎片带回了家，这是对阿尔巴尼亚民主几乎胎死腹中的那一天的小小纪念。

从第一次学生罢工到阿尔巴尼亚最终摆脱共产主义之间的几个月是残酷而混乱的。成千上万的人跳过外国使馆的围墙寻求保护，其中包括地拉那大学的所有学生--除了我和另外一个同学。(据估计，在此期间有 170,000 到 300,000 人离开了这个国家；只有两个人没能逃出去，他们是在古巴大使馆跳墙的--那里的警卫把他们交还给了阿尔巴尼亚当局）。

在我的同学们选择离开的那个晚上，我们在日落时分聚集在地拉那的主要公园里道别。在那之前，我们分享着自己的一切：零花钱、午餐、铅笔和笔记本。我试图阻止他们离开，建议他们完成学业（我们还有一年半的时间），并解释说他们要去的地方不像我们最近用自制天线偷看的《王朝》系列电视。我争辩说，共产主义已经结束，我们没有什么好害怕的了。他们反过来恳求我跟他们走，取笑我凡事都想得太多。但我已经做出了决定。我不能抛弃我的父母，我也不想成为一个乞丐，任由陌生人为我提供食物和住所。我（偷偷地）在我妈妈工作的作家和艺术家联盟的私人图书馆读了足够多的英文书，知道西方的生活也很艰苦。我们聊了几个小时后，他们让我和另一个留守的同学去找他们的父母，告诉他们不要担心。

午夜时分，我和朋友们一起走到德国和法国大使馆，祝他们好运，然后看着他们翻过围栏，消失不见。大使馆会安排飞机或轮船将他们送离阿尔巴尼亚。

夜复一夜，地拉那到处都是计划出逃的年轻人和从全国各地赶来的父母，他们先是在市中心，然后在使馆路沿线的花园里，在黑暗中疯狂地寻找自己的孩子。整个城市仿佛陷入了悲痛之中，到处都是急促的脚步声、低语的人影、哭泣声和抽泣声。

我记得有一天晚上我回家的时候，有一个人向我走来。他低声哭泣着，用枕头捂着脸。他告诉我，他听到传言说他的儿子想要离开，为了阻止他的儿子，他走了四个小时的路才到达地拉那。他去了儿子的宿舍，发现他的床没有被动过。他描述了儿子的情况，问我是否见过他，我没有。他闻了闻枕头，拿给我看，然后说："这是我儿子留给我的所有东西--还有他的味道"。

两年后，当我前往美国时，我随身携带着哥哥送给我的大理石基座碎片，以提醒我新的自由和之前生活中缺乏的自由。我仍然保留着它们，不仅仅是作为纪念。它们所蕴含的关于知识分子的勇气和对抗正统观念的必要性的教诲，今天对我来说仍然和我离开阿尔巴尼亚时一样重要。在马里兰大学攻读研究生期间，当我越来越深入地研究彭罗斯的论文所揭示的问题时，这些教训在我心中占据着首要位置。

我对我的新研究领域了解得越多，就越不确定其关于宇宙重大问题的主要论点是否正确。最大的问题当然是我们的宇宙是如何诞生的，以及之前存在过什么。对这个问题的一般答案完全不能让我满意。

1997 年，我在马里兰大学获得硕士学位后，开始在威斯康星大学密尔沃基分校攻读博士学位。我想重点研究早期宇宙的量子问题，之所以选择威斯康星大学，是因为它拥有美国最强大的理论物理学团队之一，尤其是在量子物理学方面。我特别想与伦纳德·帕克（Leonard Parker）合作，他是世界著名的理论物理学家，也是弯曲时空量子场论这一新学科的创始人之一。*帕克的研究表明，随着宇宙的膨胀和曲率（形状）的变化，其引力场的相应变化会转化为能量，产生粒子，填充宇宙。这一领域是当今最具突破性的科学研究领域之一。

帕克教授是我见过的最善良、最谦虚的人之一。他欢迎我成为他的学生，他和他的妻子对待我就像对待自己的孩子一样。我在一个寒冷、多风、多雪的城市度过了三年研究生时光，这个城市的建筑受弗兰克-劳埃德-赖特的影响，非常漂亮，但我从未注意到它的寒冷，因为物理组和密尔沃基人都很热情。

在密尔沃基的几年里，我更彻底地理解了为什么尽管彭罗斯认为宇宙暴胀点燃宇宙的几率几乎为零，但宇宙暴胀还是赢得了宇宙理论的核心地位，也就是通常所说的宇宙学标准模型。事实上，在我的博士论文中，我研究了该理论的反对者提出的（一个充满高能量的婴儿宇宙发生巨大爆炸，产生出像我们这样的大宇宙的）替代理论。这些反对者包括霍金和彭罗斯。这些科学家提出的宇宙诞生的替代模型和他们的研究对检查和研究宇宙暴胀非常重要。这包括婴儿宇宙穿过引力场的隧道，以及一组可能产生像我们这样的宇宙的可能相变情景*。

我越是仔细研究宇宙爆胀的基础，就越是确信，尽管存在着我们的宇宙不可能出现的问题，但该理论仍然是迄今为止对我们宇宙的基本属性做出的最合乎逻辑和最优雅的解释。这部分是因为它保持了爱因斯坦广义相对论等主要理论和各种统称为大爆炸理论的模型的完整性--否则，这些理论将难以解释如何从我们所理解的宇宙诞生之初的奇怪条件中获得我们现在的宇宙。

宇宙膨胀利用爱因斯坦的广义相对论，将宇宙的物质和能量与宇宙的曲率--即宇宙的形状--和宇宙的膨胀联系起来。爱因斯坦站在数学巨人的肩膀上，于 1915 年提出了这一理论*。他开始对广义相对论这个名字感到遗憾，因为它似乎与他认为世界独立于人类观察而存在的信念相矛盾。爱因斯坦认为，宇宙中发生的一切绝对与观察者或观察者的运动方式无关；他认为，现实必须是客观的。

爱因斯坦的理论有两个假设。第一个是，光速是宇宙中任何物体所能达到的绝对速度极限。通过第二个假设，爱因斯坦将三维空间（高度、宽度和长度）和一维时间合二为一，称之为时空。爱因斯坦断言，我们的宇宙存在于四维时空之中。

爱因斯坦的第二个假设是一个惊人的洞见，即我们基本上可以用引力来交换空间的形状。爱因斯坦在广义相对论中实现这种交换的方法非常简单：根据他的观点，宇宙中物质和能量的引力告诉时空如何弯曲，而弯曲的空间迫使物体和光线沿着一定的路径运动，这些路径遵循空间的曲率。他的理论将宇宙中所有物质和能量对任何物体产生的引力替换为塑造物体运动轨迹的时空曲率。引力就是曲率。

爱因斯坦的深刻见解并不难理解。想象一下，你在花园里搭起了一个完全平整的吊床。在这个例子中，吊床的布料就是时空。现在，如果一个人坐在或躺在吊床上，吊床就会向下鼓起，也就是说，它会根据人的位置和体重而弯曲。在我们的比喻中，人是物质-能量的内容，他或她的体重和体型决定了吊床的形状--时空--如何弯曲。因此，正如物理学家的格言所说，"物质告诉空间如何弯曲"。重要的是，吊床的形状--时空曲率--表明它包含了多少物质能量。如果你坐在吊床下面，只需评估一下织物的曲率，就能判断出上面吊床中人的大小和重量。

如果吊床代表整个宇宙的时空曲率，人在吊床上的重量代表宇宙膨胀时的能量，那么，根据爱因斯坦的理论，膨胀的能量决定了宇宙膨胀的速度和宇宙膨胀的形状。这样，爱因斯坦的广义相对论就为宇宙膨胀理论奠定了基础，而宇宙膨胀理论又将利用爱因斯坦的广义相对论来解释宇宙诞生之初的奇特情况。

自爱因斯坦时代以来，科学家们已经对宇宙的形状及其内部的一切进行了精确的测量；这使得我们能够重建宇宙在各个时代的历史，一直追溯到宇宙诞生之时。利用爱因斯坦方程，我们可以逆向推导出宇宙在过去每个时刻的样子和膨胀速度。在遥远的过去，宇宙在接近创世时刻时变得微小。唉，可是到了那一刻，爱因斯坦方程崩溃了。

这就是爱因斯坦相对论的主要缺点：在能量密度非常高的条件下--例如在黑洞中心可能发现的那种能量密度，或者在我们宇宙生命的最初瞬间存在的那种能量密度--相对论就会失效。事实上，利用爱因斯坦方程来寻找宇宙的形状，并将其作为宇宙最初时刻（即宇宙膨胀开始之前）所含能量的函数，会得到一个令人失望的答案：它预言宇宙一开始就是一个针尖，一个掐断了时空结构的奇点。

宇宙诞生时爱因斯坦方程的这一崩溃被称为霍金-彭罗斯奇点（Hawking-Penrose singularity），以给出相关定理的两位标志性物理学家的名字命名（第 1 章提到了这一科学里程碑）。时间在这个奇点停止--没有"之前"；时钟冻结。空间在此停止--没有超越。霍金和彭罗斯认为，大自然禁止科学家探索创世的那一刻，更不用说超越它了，因为在创世之前什么都不存在，绝对不存在。

一个世纪以来，每当科学家们在宇宙诞生之初试图获得爱因斯坦方程的解时，他们都会遇到很多惊讶。1922 年，俄罗斯理论物理学家和数学家亚历山大-弗里德曼（Alexander Friedmann）利用爱因斯坦方程证明，这些方程产生的是一个不断膨胀的宇宙，而不是一个静止不变的宇宙。他写信给爱因斯坦，分享了他的计算结果，但爱因斯坦没有信服。

五年后，比利时天文学家、天主教神父乔治-勒梅特（Georges Lemaître）首次独立提出了"爆炸"宇宙模型，即宇宙开始时很小，后来呈指数增长。他观察到星系正在相互远离，因此推测我们的宇宙一定是从一个"宇宙蛋 "中诞生的。两年后，埃德温-哈勃（后来的望远镜名人）验证了勒梅特的发现；他还证明，银河系以外的星系在不断远离或后退。

20 世纪 40 年代，勒梅特的宇宙爆炸模型被乔治-加莫夫（George Gamow）发展成了一个模型，乔治-加莫夫是一位出生于俄罗斯的核物理学家，也是一位著名的科普读物作家，他从苏联叛逃后最终来到了科罗拉多大学博尔德分校（并非巧合，加莫夫的博士导师曾是亚历山大-弗里德曼）。(与勒梅特和弗里德曼一样，伽莫夫利用爱因斯坦的广义相对论将宇宙的物质能量含量与宇宙的曲率和膨胀联系起来。其结果就是我们现在所知的"热大爆炸"。

伽莫夫的宇宙创世理论既优雅又引人关注。根据爱因斯坦的方程，他设想宇宙在诞生之初是一个很小的容器，大约只有原子大小，里面充满了"炙热的原始辐射汤"，随着时间的推移"撞击"产生并逐渐变大。他甚至预言，在我们的天空中存在着热大爆炸时期留下的辐射遗迹。

伽莫夫的热大爆炸标志着物理学中一个新领域的出现：宇宙学。但是，他的模型和之后的其他大爆炸模型都依赖于热辐射使宇宙膨胀，存在严重的缺陷。具体来说，这些模型无法解释我们宇宙的三个关键特征：平坦性、均质性以及宇宙中所有物质的均匀分布。宇宙膨胀正是为了弥补这些缺陷。

如果你用望远镜镜头观察天空，无论你把望远镜转到哪里，你都会看到相同的物质和光线分布。但这种现象并不新鲜，它在宇宙的整个历史中都存在。我喜欢把我们每时每刻的天空想象成一块画布，上面随意喷洒着由光线和粒子组成的颜料。画布上的颜料块和空白区域的分布，无论在左边、右边、中间、顶部还是底部，到处都大致相同。

然而，无论对伽莫夫的热大爆炸理论进行多少调整，它都无法产生我们在天空中看到的均匀一致的宇宙。造成这种差异的主要原因是伽莫夫为宇宙的诞生所选择的能量类型。一个充满热辐射的原始宇宙不可能快速成长到我们今天这个非常大的宇宙的大小。伽莫夫的热大爆炸唯一可行的方法就是以一个巨大的（相对而言）原始宇宙为起点，这个原始宇宙的大小大致相当于一个氦原子。

这种初始大小带来了一个难以克服的问题，而几十年后，宇宙膨胀却巧妙地解决了这个问题。这也是为什么尽管彭罗斯论证了我们的宇宙诞生的不可能性，宇宙暴胀仍然是宇宙学基础的原因之一。

在伽莫夫的时代，问题在于假设的原始宇宙太大了。在热大爆炸的短暂瞬间，光和粒子没有足够的时间穿越氦原子大小的宇宙。它们只能穿越很短的距离，也就是这个宇宙中微不足道的一小部分，这意味着它们永远不可能变得均匀或一致。

想象一个大小相当于美国（379 万平方英里）的原始宇宙。假设在这个宇宙中，最大旅行速度是每小时十英里，热大爆炸持续一小时。那么在这一小时内，光和粒子只能从它们所在的位置出发，走出十英里与其他物体相连。十英里以外的任何东西都在它们的覆盖范围之外。这意味着，在我们设想的情况中，纽约和加利福尼亚将无法交换任何信息，也不会知道对方的存在。在这个例子中，美国数以百万计的不同地区将完全脱节，彼此独立发展。最终的结果是，当我们仰望天空时，我们看到的不是一个统一的大宇宙，而是由许多完全独立的天空组成的马赛克，每个天空中的恒星和行星的分布都可能完全不同。热大爆炸原始宇宙中许多互不相连的区域彼此完全独立，它们的温度也是如此。时至今日，科学家们预计我们的天空将是一个由不同温度和物质分布组成的拼凑体，简直就是数万亿个不同天空的集合体。但我们的宇宙显然不是这样的；我们所能看到的一切都均匀一致地排列着。

事实证明，伽莫夫的热大爆炸理论所要求的宇宙初始大小只是该创世模型问题的一部分。到了 20 世纪 60 年代，由于我将在后一章中解释的原因，科学家们知道我们宇宙空间的形状是扁平的。这一发现依赖于基本的几何学，以及这样一个事实：每当我们遥望遥远的恒星时，我们都是在回望过去--我们看到的是恒星发出光芒的那一刻，而那可能是在数十亿年前。

要理解三维的东西，比如我们的宇宙，怎么会被描述成平面的，可以试试这个简单的思想实验。选三颗明亮的星星，用它们在天空中画出一个假想的三角形。(这个三角形实际上是三维的，因为虽然我们的天空从地面上看是二维的，但实际上并不是；每颗星星不仅位于空间中，也位于时空中，所以星光实际上是时间和空间的复杂叠加，汇聚成我们肉眼可以看到的闪烁的光芒）。现在考虑一下你所创建的三角形中的各个角度。如果我们的宇宙在空间上像球体一样弯曲，那么三角形中的角度加起来就会超过 180 度，如图 1 顶部所示。这是一个"封闭"宇宙的例子。如果我们的宇宙在空间上像马鞍一样弯曲，那么它就是一个"开放"的宇宙，在这个空间上画出的三角形的角度相加将小于 180 度，如图 1 底图所示。但是，我们的宇宙既不是开放的，也不是封闭的。我们生活在一个空间平坦（曲率为零）的宇宙中，在它的天空上画出的三角形的角度相加正好是 180 度，如中间的图示。

平坦宇宙的揭示给伽莫夫优雅的创世理论带来了棘手的问题。如果宇宙是从热大爆炸开始的，那么用爱因斯坦的方程从热大爆炸中得到一个平坦的宇宙是很困难的。它需要很多不合理的复杂性和巧妙的设计，而这些并不是由基础物理学自然激发的。这样的模型不会被认为是合理或有吸引力的。

图 1.从上到下依次为空间上封闭的宇宙、平坦的宇宙和开放的宇宙。

鉴于事关重大，大爆炸模型无法解释我们宇宙的三个关键特征—平坦性、均质性和均匀性--是一件大事。热大爆炸错了吗？伽莫夫的理论似乎正在发生内爆--直到一种新理论的出现拯救了它。

20 世纪 70 年代末和 80 年代初，两位年轻的科学家，时任康奈尔大学博士后的艾伦-格斯（Alan Guth）和在莫斯科铁幕后工作的安德烈-林德（Andrei Linde），独立提出了一个巧妙的想法，以解决困扰伽莫夫热大爆炸理论的问题。他们的解决方案被称为"暴胀宇宙"，简称"宇宙暴胀"，被认为是二十世纪物理学的杰作。

古斯和林德的宇宙暴胀理论非常简单地解决了最初的热大爆炸问题：它用热能量汤取代了伽莫认为宇宙诞生时的原始热辐射汤。具体来说，古斯和林德假设在宇宙大爆炸时刻存在一个缓慢滚动的原始粒子，他们称之为"膨胀子 "*。用缓慢滚动的暴胀子产生的热汤开始宇宙似乎可以让所有问题消失。

古斯和林德的宇宙膨胀理论的核心是推动宇宙膨胀的膨胀能量的性质。这是一种特殊的能量，有时被称为"真空能"。古斯和林德对热大爆炸模型所面临的所有问题的解决方案都依赖于真空能的一个关键特性：负压，一种倾向于将物体炸毁--即膨胀--的排斥引力。因此，一个充满真空能的原始宇宙的爆炸和增长速度要比一个充满旧大爆炸模型中假设的常规辐射的宇宙快得多。

事实上，根据宇宙膨胀学说，我们这个新生的宇宙成长得如此之快，以至于在一瞬间-10^(-45)秒内，确切地说，原始宇宙的大小，不管它是什么，都增加了大约 20 个数量级。也就是说，它的原始大小乘以 10后面加上 20 个零。要了解其中的规模，首先想象一下肥皂泡非常薄的壁（只有几纳米厚）。接着，想象一下地球到太阳的距离（大约 1.46 亿公里，比肥皂泡的厚度大 20 个数量级）。在宇宙膨胀的作用下，肥皂泡壁在微不足道的几分之一秒内就扩大了地球到太阳的距离。

因此，用我们的比喻来说，在原来的宇宙大爆炸模型中，原始宇宙必须有美国那么大，才能在数十亿年后演化成我们现在观测到的大宇宙，而宇宙膨胀模型则不同，它只需要曼哈顿那么大就能实现同样的膨胀。它膨胀得如此之快，以至于在几分之一秒内，曼哈顿就变得和整个美国一样大了。

原始宇宙中包含的所有物质，无论是光波还是粒子，都随着宇宙的加速膨胀而伸展。而在宇宙膨胀的过程中，这些元素在整个宇宙中保持着相互沟通，不断地均衡温度，并均匀地向内部各处扩散。粒子能够在整个宇宙中保持沟通，这意味着因果链，也就是自然界中被称为因果性的神圣原则得以保留。

接下来，当宇宙膨胀到超出其雏形大小的数万亿倍时，它就会把自己拉平。

因此，与热大爆炸模型相比，宇宙膨胀模型以最自然的方式实现了平坦性、均质性和均匀性的统一。

古斯和林德对宇宙暴胀的解释在很大程度上依赖于二十世纪出现的一个新的物理学领域--量子理论，我将在下一章详细介绍量子理论。他们假设的宇宙膨胀能量场和最初时刻存在的微观宇宙都是量子性质的。事实证明，宇宙开始膨胀的量子能量也具有极低的熵，根据玻尔兹曼公式--正如彭罗斯指出的--这意味着存在的概率非常小。因此，他们所宣称的宇宙诞生时所具备的条件，正是使宇宙诞生的可能性变得不可思议的条件。

宇宙膨胀的能量与膨胀能量总是具有极低的熵这一事实之间的联系，在我的脑海中引发了一幅新的画面。

宇宙暴胀是惊人的，是辉煌的，它可能是迄今为止我们宇宙最好的起源故事，对此我深信不疑。它以看似最自然的方式为我们宇宙的基本属性提供了最合乎逻辑的解释；天体物理学观测结果与它的预测完全吻合。它是正确的。

但我个人认为，宇宙暴胀理论虽然正确，却是一个不完整的理论。它要求我们接受一个不可能实现的非自然假设：我们的宇宙是以最特殊的方式开始的，在一个光滑的空间里，一个完美的热能汤中有一个完美的膨胀子，这个空间是在不破坏爱因斯坦引力理论的情况下所能达到的最小尺寸（物理学家称之为普朗克长度）。因此，虽然宇宙暴胀基于一个假设（宇宙诞生的第一瞬间存在一个膨胀子能量），完美地解释了一个微小的宇宙是如何进化到现在的状态的，但整个故事却悬在一个谜团上：是什么赋予了"膨胀子 "能量，从而启动了膨胀过程？

我还只是一个一步步收集信息的研究生。但是，摆在我面前的是一个越来越引人入胜的谜团--我难以抗拒。