当我们观测宇宙时,有一点可以肯定,宇宙并不是简单地创造出来的,而是经过上百亿年的时间才演化到现在的状态。根据标准宇宙模型,宇宙起源于138亿年前的一个炽热、稠密的奇点。
然而,时间真的是从宇宙大爆炸开始吗?或者说时间真的有一个开端吗?
对于任何事情,我们总是会用人类特有的逻辑去思考。如果我们想知道宇宙大爆炸是从哪里来的,我们就会用人类所有的最好术语来描述它。然后,科学家会理论化它的成因,并建立起理论,最后寻找证据来了解宇宙大爆炸的起源。
以人类的逻辑来看,宇宙总会有一个开端。然而,这是真实的宇宙吗?
长久以来,科学家并不清楚宇宙是否真的有一个开端?或者宇宙起源之前是否有时间?或者宇宙是否是永恒存在的,就像一条朝着两个方向延伸的无限直线?或者宇宙会像圆周一样无限循环吗?
关于宇宙的三个猜想
关于上述问题,此前的天文学家提出了以下三个猜想:
(1)膨胀的宇宙可能起源于一个奇异点,所有的空间和时间都从一个奇点中诞生。
(2)现在的宇宙可能在膨胀,因为它过去在坍缩,将来也会再次坍缩,宇宙就处在反复膨胀和坍缩的循环过程中。
(3)宇宙现在在膨胀,过去一直在膨胀,将来也会一直膨胀,不断产生新的物质来保持密度不变。
这三个猜想带来了不同的宇宙观:(1)宇宙有一个单一的开端,(2)宇宙本质上是循环的,(3)宇宙一直存在。然而,在20世纪60年代,天文学家在宇宙中观测到了一种特殊的微波——宇宙微波背景辐射,这永远地改变了人们对宇宙的认识。
宇宙微波背景辐射
这种辐射在所有方向都是相同的,对应的温度涨落极小。通过测量,宇宙微波背景辐射的温度只比绝对零度高了2.73度,这与宇宙从早期的炽热致密状态中诞生并随着膨胀而冷却是一致的。
随着观测技术的进步,天文学家发现,宇宙微波背景辐射的光谱有一个特殊的形状——近乎完美的黑体。如果把有一个完美的辐射吸收体加热到特定的温度,结果就会得到一个黑体。如果宇宙膨胀和冷却是一个绝热过程,那么,即使黑体冷却下来,仍然是黑体。观测结果表明,这种辐射与宇宙大爆炸留下的余辉相一致。
根据宇宙大爆炸理论,过去的宇宙更小、更热、更稠密、更均匀。宇宙之所以处于今天的这种状态,是因为它一直在膨胀、冷却,并经历了很长时间的引力影响。因为辐射的波长随着宇宙的膨胀而拉长,更小的早期宇宙应该有波长更短的辐射,这意味着它有更高的能量和更高的温度。
上百亿年前,宇宙曾经非常热,即使是中性原子也无法形成。而在那之前的遥远过去,微波辐射的能量极高,它们支配着物质。在此之前,原子核会被分裂开来,无法形成。而在更早之前,宇宙甚至无法创造出稳定的质子和中子。
时空奇点
如果我们一直外推,回到无限高的温度和密度,无限小的距离,人们会直觉地认为这将真正等同于宇宙的开端。在那时,宇宙的所有空间都将被压缩成一个奇点。
然而,如果在这些极端的条件下,把今天宇宙中所有的物质和能量压缩到一个足够小的空间中,已知的物理定律就会被打破。我们可以尝试计算各种性质,但得到的答案都是无意义的。这就是我们所说的奇点——时空没有意义的条件。乍一看,通过计算就会发现,奇点是不可避免的。
时间的意义
在奇点处,空间和时间维度都不复存在,目前描述宇宙时空最好的理论——爱因斯坦的广义相对论,会在此失效。问诸如“时间开始之前发生了什么?”之类的问题,就像问“如果空间不再存在,我在哪里?”一样毫无意义。
事实上,很多科学家都支持这一观点——基于现有的理论,我们无法讨论宇宙大爆炸之前发生了什么的问题。时间究竟是有限的、还是无限的,或者是循环的,都是未知的。因为我们被限制在半径为465亿光年的可观测宇宙中,我们没有足够的信息来回答这些问题。