宇宙大爆炸真的是時間的開端嗎？或者宇宙在那之前就存在了？ 僅僅在十年前，這樣的問題似乎還是近乎褻瀆神明的。 大多數宇宙學家堅持認為這根本沒有意義——思考大爆炸之前的時間就像問路去北極以北的地方一樣。 但是理論物理學的發展，特別是弦理論的興起，改變了他們的觀點。 大爆炸前的宇宙已成為宇宙學的最新前沿。
重新考慮大爆炸之前可能發生的事情的新意願，是數千年來來回搖擺的智力擺錘的最新一次擺動。 在某種形式上，關於終極開端的問題吸引了幾乎所有文化中的哲學家和神學家。 它與一系列宏大的關切交織在一起，這些關切在保羅·高更於 1897 年創作的一幅畫作中得到了著名的概括：D'ou venons-nous? Que sommes-nous? Ou allons-nous? 我們從哪裡來？ 我們是誰？ 我們要到哪裡去？ 這件作品描繪了出生、生命和死亡的迴圈——每個個體的起源、身份和命運——而這些個人的關切直接與宇宙的關切聯絡起來。 我們可以追溯我們的血統，經過世世代代，回到我們的動物祖先，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，回到在那之前沉積在太空中的無定形能量。 我們的家譜會永遠向前延伸嗎？ 還是它的根會終止？ 宇宙是否像我們一樣是短暫的？
古代希臘人激烈地爭論時間的起源。 亞里士多德站在無開端的一邊，援引了無中不能生有的原則。 如果宇宙永遠不可能從虛無變成存在，那麼它必定一直存在。 由於這個和其他原因，時間必須永恆地延伸到過去和未來。 基督教神學家傾向於採取相反的觀點。 奧古斯丁認為上帝存在於空間和時間之外，能夠像創造我們世界的其他方面一樣，將這些構造帶入存在。 當被問及，上帝在創造世界之前在做什麼？ 奧古斯丁回答說，時間本身就是上帝創造的一部分，根本沒有之前！
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阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論使現代宇宙學家得出了大致相同的結論。 該理論認為，空間和時間是柔軟、可延展的實體。 在最大的尺度上，空間自然是動態的，隨著時間的推移膨脹或收縮，像潮汐上的浮木一樣攜帶物質。 天文學家在 20 世紀 20 年代證實，我們的宇宙目前正在膨脹：遙遠的星系彼此遠離。 正如物理學家斯蒂芬·W·霍金和羅傑·彭羅斯在 20 世紀 60 年代證明的那樣，一個後果是時間不能無限期地向後延伸。 當你倒放宇宙歷史時，所有星系都匯聚到一個無限小的點，稱為奇點——幾乎就像它們正在下降到一個黑洞中。 每個星系或其前身都被壓縮到零大小。 密度、溫度和時空曲率等量變得無限大。 奇點是終極災難，我們的宇宙血統無法超越它。
不可避免的奇點給宇宙學家帶來了嚴重的問題。 特別是，它與宇宙在大尺度上表現出的高度同質性和各向同性不協調。 為了使宇宙在各個地方看起來大致相同，某種形式的通訊必須在遙遠的空間區域之間傳遞，協調它們的屬性。 但是這種通訊的想法與舊的宇宙學正規化相矛盾。
具體來說，考慮一下自宇宙微波背景輻射釋放以來 137 億年間發生的事情。 星系之間的距離增長了大約 1,000 倍（由於膨脹），而可觀測宇宙的半徑增長了更大的大約 100,000 倍（因為光的速度超過了膨脹速度）。 我們今天看到的宇宙部分是我們在 137 億年前無法看到的。 事實上，這是宇宙歷史上來自最遙遠星系的光首次到達銀河系。
奇怪的巧合
儘管如此，銀河系的屬性與遙遠星系的屬性基本相同。 這就像你參加一個聚會，卻發現你和十幾個最親密的朋友穿著完全相同的衣服。 如果只有你們兩個人穿著相同，這可以解釋為巧合，但十幾個則表明參加聚會的人事先協調了他們的服裝。 在宇宙學中，這個數字不是十幾個，而是數萬個——微波背景中獨立但統計上相同的天空區域的數量。
一種可能性是，所有這些空間區域在誕生時都被賦予了相同的屬性——換句話說，同質性僅僅是巧合。 然而，物理學家已經考慮了兩種更自然的方式來擺脫僵局：早期宇宙比標準宇宙學中的宇宙更小或更老。 兩者中的任一者（或兩者同時作用）都將使相互通訊成為可能。
最流行的選擇遵循第一個替代方案。 它假設宇宙在其歷史早期經歷了一個加速膨脹的時期，稱為暴脹。 在這個階段之前，星系或它們的前身非常緊密地聚集在一起，以至於它們可以很容易地協調它們的屬性。 在暴脹期間，它們失去了聯絡，因為光無法跟上狂熱的膨脹速度。 暴脹結束後，膨脹開始減速，因此星系逐漸回到彼此的視野中。
物理學家將暴脹噴發歸因於儲存在一個新的量子場——暴脹場中的勢能，大約在宇宙大爆炸後 10
35 秒。 與靜止質量或動能相反，勢能會導致引力排斥。 暴脹場加速了膨脹，而不是像普通物質的引力那樣減慢膨脹速度。 暴脹於 1981 年提出，已經精確地解釋了各種觀測結果[參見艾倫·H·古思和保羅·J·斯坦哈特的《暴脹宇宙》；《大眾科學》，1984 年 5 月；以及《宇宙學的四個關鍵》，特別報道；《大眾科學》，2004 年 2 月]。 然而，仍然存在許多可能的理論問題，首先是暴脹場究竟是什麼，以及是什麼賦予了它如此巨大的初始勢能。
一種不太廣為人知的解決難題的方法是遵循第二個替代方案，即擺脫奇點。 如果時間不是從大爆炸開始的，如果在一個漫長的時代先於當前宇宙膨脹的開始，物質可能已經有足夠的時間來平穩地排列自身。 因此，研究人員重新審查了導致他們推斷出奇點的推理。
其中一個假設——相對論始終有效——是值得懷疑的。 在假定的奇點附近，量子效應必定是重要的，甚至是主要的。 標準相對論沒有考慮到這些效應，因此接受奇點的必然性相當於不合理地信任該理論。 為了知道真正發生了什麼，物理學家需要將相對論包含在量子引力理論中。 從愛因斯坦開始，這項任務就一直困擾著理論家，但直到 20 世紀 80 年代中期，進展幾乎為零。
革命的演變
今天，兩種方法脫穎而出。 其中一種名為圈量子引力，它基本上保留了愛因斯坦的理論，但改變了在量子力學中實現它的程式[參見李·斯莫林的《空間和時間的原子》，第 82 頁]。 圈量子引力的實踐者在過去幾年中取得了長足的進步，並獲得了深刻的見解。 然而，他們的方法可能還不夠革命性，無法解決量子化引力的基本問題。 粒子理論家在恩里科·費米於 1934 年提出他的弱核力有效理論後也面臨著類似的問題。 構建費米理論的量子版本的努力都慘遭失敗。 所需要的不是一種新技術，而是 20 世紀 60 年代後期謝爾頓·L·格拉肖、史蒂文·溫伯格和阿卜杜斯·薩拉姆提出的電弱理論帶來的深刻修改。
第二種方法，我認為更有希望的方法是弦理論——對愛因斯坦理論的真正革命性的修改。 本文將重點關注它，儘管圈量子引力的支持者聲稱得出了許多相同的結論。
弦理論源於我在 1968 年寫下的一個模型，該模型描述了核粒子（如質子和中子）及其相互作用的世界。 儘管最初引起了很大的轟動，但該模型失敗了。 幾年後，它被量子色動力學所取代，量子色動力學用更基本的組成部分——夸克來描述核粒子。 夸克被限制在質子或中子內部，就好像它們被彈性弦束縛在一起一樣。 回顧過去，最初的弦理論捕獲了核世界的弦狀方面。 只是後來它才作為結合廣義相對論和量子理論的候選者而復興。
基本思想是基本粒子不是點狀的，而是無限細的一維物體，即弦。 大量的基本粒子，每個粒子都有其自身的特徵屬性，反映了弦的許多可能的振動模式。 如此簡單的理論如何描述粒子及其相互作用的複雜世界？ 答案可以在我們稱之為量子弦魔術的東西中找到。 一旦將量子力學規則應用於振動弦——就像微型小提琴絃一樣，只是振動沿著它以光速傳播——就會出現新的屬性。 所有這些都對粒子物理學和宇宙學具有深遠的影響。
首先，量子弦具有有限的大小。 如果不是量子效應，小提琴絃可以切成兩半，再次切成兩半，依此類推，一直到最後變成一個無質量的點狀粒子。 但是海森堡不確定性原理最終會介入，並阻止最輕的弦被切成小於約 10
34 米。 這個不可約的量子長度，用 ls 表示，是弦理論與光速 c 和普朗克常數 h 並列引入的一個新的自然常數。 它在弦理論的幾乎每個方面都起著至關重要的作用，對原本可能變為零或無窮大的量設定了有限的限制。
其次，量子弦即使沒有質量也可能具有角動量。 在經典物理學中，角動量是物體相對於軸旋轉的屬性。 角動量的公式將速度、質量和到軸的距離相乘； 因此，無質量的物體不可能有角動量。 但是量子漲落改變了這種情況。 一個微小的弦可以獲得高達兩個單位的 h 角動量，而不會增加任何質量。 這個特徵非常受歡迎，因為它與所有已知的基本力的載體（如光子（用於電磁力）和引力子（用於引力））的屬性完全匹配。 從歷史上看，角動量是物理學家瞭解弦理論的量子引力含義的關鍵。
第三，量子弦要求存在額外的空間維度，除了通常的三個維度之外。 無論空間和時間的屬性如何，經典小提琴絃都會振動，而量子弦則更為挑剔。 描述振動的方程變得不一致，除非時空高度彎曲（與觀測結果相矛盾）或包含六個額外的空間維度。
第四，物理常數——例如牛頓常數和庫侖常數，它們出現在物理方程中並決定自然的屬性——不再具有任意的、固定的值。 它們在弦理論中以場的形式出現，很像電磁場，可以動態地調整它們的值。 這些場在不同的宇宙學時代或遙遠的空間區域可能具有不同的值，甚至今天物理常數也可能發生少量變化。 觀察到任何變化都將極大地推動弦理論的發展。
其中一個場，稱為膜脹子，是弦理論的萬能鑰匙； 它決定了所有相互作用的整體強度。 膜脹子吸引了弦理論家的注意，因為它的值可以被重新解釋為額外空間維度的大小，總共給出 11 個時空維度。
繫緊鬆散的末端
最後，量子弦向物理學家介紹了一些引人注目的自然新對稱性，稱為對偶性，這些對稱性改變了我們對物體變得非常小時會發生什麼情況的直覺。 我已經暗示了一種形式的對偶性：通常，短弦比長弦更輕，但是如果我們試圖將其大小壓縮到基本長度 ls 以下，弦會再次變重。
另一種形式的對稱性，T-對偶性，認為小尺寸和大的額外維度是等價的。 這種對稱性的出現是因為弦可以比點狀粒子更復雜的方式移動。 考慮位於圓柱形空間上的閉弦（環），其圓形橫截面代表一個有限的額外維度。 除了振動之外，弦還可以像包裹在捲起的招貼畫上的橡皮筋一樣，整體圍繞圓柱體轉動或纏繞在圓柱體上一次或多次[參見對面頁面的方框]。
弦的這兩種狀態的能量成本取決於圓柱體的大小。 纏繞的能量與圓柱體半徑成正比：較大的圓柱體需要弦在纏繞時拉伸更多，因此纏繞比在較小圓柱體上包含更多的能量。 另一方面，與圍繞圓圈運動相關的能量與半徑成反比：較大的圓柱體允許更長的波長（更小的頻率），這比更短的波長代表更少的能量。 如果用一個大圓柱體代替一個小圓柱體，則兩種運動狀態可以交換角色。 曾經由圓周運動產生的能量改為由纏繞產生，反之亦然。 外界觀察者只注意到能量水平，而沒有注意到這些水平的來源。 對於該觀察者而言，大半徑和小半徑在物理上是等效的。
儘管 T-對偶性通常用圓柱形空間來描述，其中一個維度（圓周）是有限的，但它的變體適用於我們通常的三個維度，這些維度似乎無限延伸。 在談論無限空間的膨脹時必須小心。 它的整體大小無法改變； 它仍然是無限的。 但是它仍然可以膨脹，因為嵌入其中的物體（如星系）彼此遠離。 關鍵變數不是空間的整體大小，而是它的尺度因子——星系之間距離變化的因子，表現為天文學家觀察到的星系紅移。 根據 T-對偶性，具有小尺度因子的宇宙等效於具有大尺度因子的宇宙。 愛因斯坦方程中不存在這種對稱性； 它源於弦理論體現的統一，其中膜脹子起著核心作用。
多年來，弦理論家認為 T-對偶性僅適用於閉弦，而不是開放弦，開放弦具有鬆散的末端，因此無法纏繞。 1995 年，加州大學聖巴巴拉分校的約瑟夫·波爾欽斯基意識到，T-對偶性確實適用於開放弦，前提是大小半徑之間的切換伴隨著弦端點條件的變化。 在此之前，物理學家假設了邊界條件，其中沒有力作用在弦的末端，使它們可以自由地拍打。 在 T-對偶性下，這些條件變成了所謂的狄利克雷邊界條件，即末端保持靜止。
量子弦的所有神奇屬性都指向一個方向：弦厭惡無窮大。 它們不會坍縮成一個無限小的點，因此它們避免了坍縮所帶來的悖論。 它們的非零大小和新穎的對稱性為傳統理論中無限增加的物理量設定了上限，併為減小的量設定了下限。 弦理論家預計，當人們倒放宇宙的歷史時，時空曲率開始增加。 但是，它最終沒有一直達到無窮大（在傳統的大爆炸奇點處），而是最終達到最大值並再次縮小。 在弦理論出現之前，物理學家很難想象有任何機制可以如此乾淨利落地消除奇點。
馴服無限
宇宙大爆炸零時附近的條件非常極端，以至於沒有人知道如何求解方程。 然而，弦理論家對大爆炸前的宇宙進行了猜測。 有兩種流行的模型在流傳。
第一個模型，稱為大爆炸前情景，我和我的同事於 1991 年開始開發，它將 T-對偶性與更廣為人知的時間反演對稱性相結合，由此物理方程在向後和向前應用時都同樣有效。 這種組合產生了新的可能的宇宙學，其中宇宙，例如，在大爆炸前五秒以與大爆炸後五秒相同的速度膨脹。 但是膨脹的變化率在兩個瞬間是相反的：如果在大爆炸後減速，則在大爆炸前加速。 簡而言之，大爆炸可能不是宇宙的起源，而僅僅是從加速到減速的劇烈轉變。
這個圖景的美妙之處在於它自動地包含了標準暴脹理論的偉大見解——即宇宙必須經歷一個加速膨脹的時期才能變得如此均勻和各向同性。 在標準理論中，加速發生在宇宙大爆炸之後，因為存在一個臨時的暴脹場。 在大爆炸前情景中，加速發生在宇宙大爆炸之前，這是弦理論的新穎對稱性的自然結果。
根據該情景，大爆炸前的宇宙幾乎是大爆炸後宇宙的完美映象[參見第 77 頁的方框]。 如果宇宙在未來是永恆的，其內容稀疏到微不足道的粥狀，那麼它在過去也是永恆的。 在無限久遠的過去，它是幾乎空無一物的，只充滿了稀薄、廣泛分散、混亂的輻射和物質氣體。 自然力由膜脹子場控制，非常微弱，以至於這種氣體中的粒子幾乎沒有相互作用。
隨著時間的推移，力量增強並將物質拉到一起。 隨機地，一些區域以犧牲周圍環境為代價積累物質。 最終，這些區域中的密度變得如此之高，以至於黑洞開始形成。 然後，這些區域內部的物質與外部隔絕，將宇宙分裂成不相連的碎片。
在黑洞內部，空間和時間交換角色。 黑洞的中心不是空間中的一個點，而是一個時間瞬間。 隨著下落的物質接近中心，它達到了越來越高的密度。 但是，當密度、溫度和曲率達到弦理論允許的最大值時，這些量會反彈並開始減小。 我們稱之為大爆炸的逆轉時刻。 其中一個黑洞的內部變成了我們的宇宙。
毫不奇怪，這種非常規的情景引起了爭議。 斯坦福大學的安德烈·林德認為，為了使這種情景與觀測結果相符，產生我們宇宙的黑洞必須以異常大的尺寸形成——遠大於弦理論的長度尺度。 對此異議的回答是，方程預測所有可能大小的黑洞。 我們的宇宙恰好在一個足夠大的宇宙內部形成。
佈雷斯河畔比雷的科學高階研究所的蒂博·達穆爾和布魯塞爾自由大學的馬克·埃諾提出的一個更嚴重的異議是，物質和時空在大爆炸時刻附近的行為會是混亂的，這可能與觀測到的早期宇宙的規律性相矛盾。 我最近提出，混亂狀態會產生緻密的微型弦洞氣體——弦太小且質量太大，以至於它們處於即將變成黑洞的邊緣。 這些洞的行為可以解決達穆爾和埃諾提出的問題。 羅格斯大學的托馬斯·班克斯和德克薩斯大學奧斯汀分校的威利·費希勒也提出了類似的建議。 還存在其他批評，這些批評是否揭示了該情景的致命缺陷仍有待確定。
大爆炸前宇宙的另一個主要模型是火劫（大災變）情景。 火劫情景由一組宇宙學家和絃理論家在五年前開發——哥倫比亞大學的賈斯汀·庫裡、普林斯頓大學的保羅·J·斯坦哈特、賓夕法尼亞大學的伯特·A·奧夫魯特、高等研究院的內森·塞伯格和劍橋大學的尼爾·圖羅克——火劫情景依賴於先前提到的霍拉瓦-威滕思想，即我們的宇宙位於更高維度空間的一端，而一個隱藏的膜位於另一端。 這兩個膜相互施加吸引力，偶爾會碰撞，使額外維度縮小到零，然後再增長。 大爆炸將對應於碰撞的時間[參見第 78 頁的方框]。
在該情景的一個變體中，碰撞是週期性發生的。 兩個膜可能會撞擊、彼此彈開、分開、相互拉近、再次撞擊，依此類推。 在碰撞之間，這些膜的行為就像傻瓜橡皮泥一樣，在後退時膨脹，在重新聚集時略微收縮。 在轉折期間，膨脹率加速； 事實上，當前宇宙的加速膨脹可能預示著另一次碰撞。
大爆炸前情景和火劫情景有一些共同特徵。 兩者都始於一個巨大、寒冷、幾乎空無一物的宇宙，並且兩者都面臨著在爆炸前和爆炸後階段之間進行過渡的困難（且尚未解決）問題。 從數學上講，這兩種情景之間的主要區別在於膜脹子場的行為。 在大爆炸前，膜脹子以較低的值開始——因此自然力很弱——並穩步增強。 火劫情景則相反，碰撞發生在力最弱的時候。
火劫理論的開發者最初希望力的微弱性將使彈跳更容易分析，但他們仍然面臨著困難的高曲率情況，因此該情景是否真正避免了奇點尚無定論。 此外，火劫情景必須包含非常特殊的條件才能解決通常的宇宙學難題。 例如，即將碰撞的膜必須幾乎完全彼此平行，否則碰撞不可能產生足夠均勻的大爆炸。 迴圈版本可能能夠解決這個問題，因為連續的碰撞將允許膜自行拉直。
撇開充分證明這兩種情景在數學上的正確性的艱鉅任務不談，物理學家必須問，它們是否具有任何可觀察到的物理後果。 乍一看，這兩種情景可能看起來不是物理學中的練習，而是形而上學中的練習——觀察者永遠無法證明對錯的有趣想法。 這種態度過於悲觀。 就像暴脹階段的細節一樣，可能的爆炸前時代的細節也可能具有可觀察到的後果，特別是對於在宇宙微波背景溫度中觀察到的小變化。
首先，觀測表明，溫度波動是由聲波塑造了數十萬年的。 波動規律性表明，這些波是同步的。 多年來，宇宙學家已經拋棄了許多宇宙學模型，因為它們未能解釋這種同步性。 暴脹、大爆炸前和火劫情景都通過了第一個測試。 在這三種模型中，波是由宇宙加速膨脹期間放大的量子過程觸發的。 波的相位是對齊的。
其次，每個模型都預測了溫度波動相對於角尺寸的不同分佈。 觀察者發現，所有尺寸的波動都具有大致相同的幅度。 （只有在非常小的尺度上才會出現可辨別的偏差，在這種尺度上，原始波動已被後續過程改變。）暴脹模型巧妙地再現了這種分佈。 在暴脹期間，空間曲率變化相對緩慢，因此不同尺寸的波動在非常相似的條件下產生。 在弦模型中，曲率演化迅速，增加了小尺度波動的幅度，但其他過程增強了大尺度波動，使所有波動都具有相同的強度。 對於火劫情景，那些其他過程涉及空間的額外維度，即分隔碰撞膜的維度。 對於大爆炸前情景，它們涉及一個量子場，軸子，它與膜脹子有關。 簡而言之，所有三種模型都與資料匹配。
第三，溫度變化可能來自早期宇宙中的兩個不同過程：物質密度波動和引力波引起的漣漪。 暴脹涉及這兩個過程，而大爆炸前和火劫情景主要涉及密度變化。 特定尺寸的引力波會在微波背景的偏振中留下獨特的印記[參見羅伯特·R·考德威爾和馬克·卡米翁科夫斯基的《來自大爆炸的回聲》；《大眾科學》，2001 年 1 月]。 未來的天文臺，如歐洲航天局的普朗克衛星，應該能夠看到該印記（如果它存在）——提供一個幾乎確定的測試。
第四個測試與波動的統計資料有關。 在暴脹中，波動遵循鐘形曲線，物理學家將其稱為高斯分佈。 火劫情況也可能是如此，而大爆炸前情景允許與高斯性發生相當大的偏差。
那麼，時間是什麼時候開始的？ 科學還沒有一個確鑿的答案，但至少有兩種可能可檢驗的理論合理地認為宇宙——以及時間——在大爆炸之前就存在了。 如果這兩種情景中的任何一種是正確的，那麼宇宙就一直存在，即使有一天它會重新坍縮，也永遠不會結束。
作者
加布裡埃萊·韋內齊亞諾，歐洲核子研究中心的一位理論物理學家，是 20 世紀 60 年代後期弦理論之父——他因此獲得了美國物理學會和美國物理研究所 2004 年海涅曼獎。 當時，該理論被認為是失敗的； 它沒有實現解釋原子核的目標，韋內齊亞諾很快將注意力轉移到量子色動力學，併為此做出了重大貢獻。 在弦理論在 20 世紀 80 年代作為引力理論捲土重來之後，韋內齊亞諾成為最早將其應用於黑洞和宇宙學的物理學家之一。