时间的起源是什么？宇宙中的时间是相同的吗

伤我心太深

　　时间的起点和方向是走向哪里?

　　时间是否是以宇宙大爆炸为开端，或者说，宇宙是否在大爆炸之前就已经存在，这样的问题经常引起我们的思考。在过去，宇宙学家曾经对这样的问题嗤之以鼻，认为这种问题毫无意义。谈论宇宙大爆炸之前是否存在时间，就好比谈论是否存在比北极更北的地方。但是随着理论物理不断向前发展，特别是弦理论的诞生，让时间起点的问题再次成为科学家们谈论的对象。现在，研究宇宙爆炸之前的问题已经成了一个新的热点。


　　其实从本质上来说，这种对时间起源的探索，在人类过去几千年的文明史中曾经反复出现，只是最近再次成为焦点。在人类的所有文明中，宇宙起源的问题都曾让古往今来的哲学家和思想家们争论不休。这样的终极问题曾经被高更以绘画的形式表现出来，这就是：“我们从何处来?我们是什么?我们往何处去?”。这幅作品表现的是人类的生老病死，以及所有的起源和宿命。这种对人类的思考关系到人类以及宇宙的命运。人类能够根据自身进化的证据和血统向自然界回溯，一步步回到动物、简单的原始生命，甚至是组成生命的基本元素。再向前，我们还能追溯多远呢?是否会停在某一点上再也无法向前呢?宇宙是否和人类一样并非永恒存在呢?


　　在时间的起源问题上，古希腊人曾经进行过深刻且激烈的讨论。在亚里士多德看来，世间万物都不能无中生有，时间也是一样，所以认为时间是没有开端的。如果宇宙不能从虚无中诞生，那么就意味着一直以来都永恒存在，从这个角度上讲，时间是朝向过去和未来两个方向无限延伸的。但是基督教的神学家持完全相反的观点。他们认为，空间和时间都是上帝创造的。如果我们试图搞清楚上帝在创造世界之前在干什么，基督徒们会说，时间也是上帝创造的，所以不存在时间之前的说法。


　　从爱因斯坦的广义相对论开始，现代宇宙学家都在这个理论的基础上进行丰富和发展。相对论认为，时间和空间都是可塑的。从宇宙的宏观尺度上来说，空间会随着时间的推移而膨胀或者收缩，因此是动态的。空间中的物质存在，就像是海洋上漂着的浮木。从20世纪20年代开始，科学家们就发现，我们居住的宇宙正处于一个膨胀的过程，星系之间正在彼此远离。从这一点向前推论，则时间在过去的方向不是无限延伸的。在20世纪60年代，英国物理学家史蒂芬·霍金已经证明了这一点。因为如果将宇宙向过去的方向推论，就会将宇宙中的所有物质都归为一个体积无限小、密度无限大的点，这个点就被称为奇点。所有的天体和星系都归零了，时空曲率变为无限大。这个奇点就是时间和空间的原点，宇宙不可能向奇点之前继续延伸了。





　　一、宇宙的各部分是相同的吗


　　对科学家们来说，这个无法绕过的奇点造成了很多困扰。当我们把整个宇宙在宏观尺度上表现出来的同一性、均一性与奇点作比较，结果就更加让人捉摸不透。因为宇宙在整体上是均匀的，在各个方向上表现出的性质都是相同的，所以必然会在两个相距很远的区域直接用某个方式来交换信息，以获得相似的性质。这种情形和过去的宇宙学是矛盾的。


　　我们可以想象一下宇宙在过去的137亿年中发生的事情，在这一段漫长的时间里，因为宇宙膨胀的缘故，星系之间的距离变为最初的1000倍。能够观测到的宇宙的半径，比最初增长了10万倍。今天人类可以观测到的宇宙的很多地方，在宇宙诞生的最初是无法被观测到的。而且我们现在还能够看到一些来自宇宙最古老的星系发出的星光，这是它们第一次到达银河系的空间。


　　即便宇宙的尺度已经如此之大，银河系和遥远的河外星系依然具有几乎完全相同的性质。这就好比出席一场晚会时，想要找到一个和自己的衣着一样的人。如果只能找到一个人和自己的衣服一样，那么可以说这是巧合，但是如果10个人穿的衣服都一模一样，就只能认为这10个人事先就已经商量好了。把这个例子放在整个宇宙中，讨论的将是数以万亿计的星系和区域。这些区域彼此距离遥远，但是却在统计学意义上是相同的。有一种可能，就是从诞生之日起，这些区域就具有完全相同的性质。还有一种可能，就是这些都是偶然的。哪种可能性更高一些呢?


　　如果我们假设宇宙在诞生的初期，曾经有一段时间是加速向外膨胀的，这个时间段被称为暴涨阶段。在此之前，所有组成星系的物质形成一个致密的团，所以能够很轻易地具有相同的性质。在暴涨开始后，膨胀的速率比光速还要快，这些物质失去了联系。在暴涨阶段结束后，膨胀的速度变慢，星系之间又再度取得了联系。

　　物理学家认为，宇宙在暴涨阶段释放出的能量，都是来自于宇宙大爆炸之后的10-35秒产生的一个量子场具有的位能。位能与物质的静止质量和它具有的动能完全相反，会让物质具有的引力变为斥力。在这个量子场的作用下，宇宙会加速向外膨胀，而非在物质本身具有的引力作用下膨胀的速度减慢。从1981年第一次提出宇宙的暴涨理论以来，这个理论已经对很多宇宙的观测结果做出了完美的解释。但是还有一些理论问题没有得到解决。首先要解决的是，这个爆发的量子场是什么?

　　第二，这个量子场具有的巨大位能来自哪里?

　　物理学家们还曾经试图回避奇点来解释宇宙的来源问题。如果时间的起点不是宇宙大爆炸，宇宙在开始膨胀之前就已经长期存在了，那么宇宙中的物质就有足够的时间彼此联系并且具有同样的性质。一些科学家正在从这个角度出发，试图重新还原推导出奇点的过程。

　　在这个理论中，如果假设相对论总是成立的，就会存在问题。在接近奇点的过程中，量子理论将逐渐变得重要，最终占据主导地位。在相对论中，没有考虑过量子效应，所以如果认为奇点必然存在，就是对相对论的无条件信赖。想要对宇宙诞生时发生的事情有所了解，就需要把相对论和量子理论结合在一起进行考虑。这让很多理论物理学家伤透了脑筋，这个问题直到20世纪80年代中期还没有得到解决。