關于宇宙的最終歸宿，物理學家布萊恩·考克斯（BrianCox）曾經這樣描述過，“最后一顆恒星將慢慢冷卻并消失。隨著它的消逝，宇宙將再次變得空虛，沒有光、沒有生命或意義。”

最后一顆恒星的衰落只會是一個無限長的黑暗時代的開始。所有的物質最終都會被巨大的黑洞所吞噬，而黑洞又會蒸發(fā)成最暗淡的光芒。空間將不斷向外擴展，直到暗淡的光線變得過于分散，無法相互作用。這些描述形成的理論稱之為“熱寂”假說理論（Heat death of the universe）。

那么宇宙又是如何誕生的呢？目前的認識是，宇宙在大約137億年前，由一次大爆炸過程所形成。這次大爆炸的反應原理被物理學家們稱為量子物理。大爆炸使物質四散出去，空間不斷膨脹，后來相繼出現(xiàn)了星系、恒星、行星乃至生命。

但是關于這個理論還是讓我們覺得充滿了神秘感，一個需要回答的關鍵問題是，大爆炸之前發(fā)生了什么？或者說是什么首先引發(fā)了大爆炸——簡單來說，宇宙是如何從無到有的？

宇宙怎么可能從無到有呢

有一些研究者認為，或許在大爆炸發(fā)生之前，宇宙就已經存在了，而且可能是像終結狀態(tài)那樣——是一個寒冷黑暗的宇宙，可能是大爆炸的起點。而另一些研究者認為，當時的宇宙是溫暖又密度很大的狀態(tài)，并且在膨脹，當宇宙中發(fā)生了大爆炸后，開始進入到新一輪的演化之中。那么今天這篇文字，我們來聊一下這個有趣和神秘的問題吧。

第一種物質的產生

但在講故事之前，讓我們先看看“物質”——物理物質，是如何產生的。

物質是由原子或分子構成的穩(wěn)定結構，因此在宇宙大爆炸時肯定是不存在的，即使是在之后的數(shù)十萬年中也不會產生——根據我們目前已經建立起來的科學理論，當條件冷卻到足以使復雜物質穩(wěn)定時，第一批原子是如何由簡單粒子形成的，以及這些原子后來如何在恒星內部融合成更重的元素。

我們目前所建立的關于宇宙形成的大爆炸理論（圖片來源：VectorMine via Shutterstock）

然而，這個理論并沒有解決和回答——宇宙是如何從無到有的問題。

所以還是從頭來捋一捋，宇宙形成期最早出現(xiàn)的物質粒子是質子和中子，它們在宇宙大爆炸后大約萬分之一秒就出現(xiàn)了，并共同構成了原子核。

那在這之前發(fā)生了什么呢？讓我們能夠繼續(xù)追溯時間線，探尋任何穩(wěn)定物質之前的過程。

原子核的波爾模型

這就來到了所謂的“大統(tǒng)一理論”時代的物理模型，這是我們到目前為止建立的相對完善的推測物理學領域的理論（因為無法使用實驗方式產生足夠的能量來模擬這個過程，所以推測物理學應運而生）。

這一理論認為，物理世界是由包括夸克，質子和中子等基本粒子組成的。物質和“反物質”的數(shù)量大致相等：每種物質粒子，如夸克，都有一個反物質“鏡像”。當物質和反物質相遇時，它們會在瞬間湮滅，這意味著這些粒子會不斷地被創(chuàng)造和毀滅。

這些粒子最初是如何產生的呢？根據量子場論，即使是一個真空，也充滿了能量漲落形式的物理活動。這些波動會導致粒子彈出，然后很快就會消失。這聽起來像是一個數(shù)學問題而非物理現(xiàn)象，但事實是，在無數(shù)的實驗中都發(fā)現(xiàn)了這樣的粒子。

真空量子漲落

時空真空狀態(tài)正在沸騰，粒子不斷被創(chuàng)造和破壞，顯然是“憑空產生的”。但也許所有這些真正告訴我們的是，量子真空是一個物質狀態(tài)，而并非真的一無所有。

零點能量概念

在此基礎上，一個新的問題提出了：時空本身從何而來？為了回答這個問題，讓我們繼續(xù)把時鐘撥回更遠的地方，進入“普朗克時代”——這是宇宙歷史上非常早期階段的一個時期，只發(fā)生在宇宙大爆炸后一萬億分之一到一萬分之一秒的千萬分之一。此時，空間和時間本身受到量子漲落的影響。

物理學家通常分別研究控制粒子微觀世界的量子力學和適用于大宇宙尺度的廣義相對論。但要真正理解普朗克時代，則需要一個完整的量子引力理論，將兩者結合起來。在普朗克時代，對空間和時間的常規(guī)理解都不再適用。

到目前為止，即使是最好的物理學也無法完全提供答案。除非在“萬物理論”方面取得進一步進展，否則我們無法給出任何明確的答案。在這一階段，物理學迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)任何確鑿的實例。

從零開始循環(huán)

要真正回答一個問題，即什么東西是如何從無到有的，我們需要解釋普朗克時代開始時整個宇宙的量子態(tài)。關于這方面的研究嘗試都是高度推測性的，包括多元宇宙模型，循環(huán)宇宙模型等等。

2020年諾貝爾獎獲得者、物理學家羅杰·彭羅斯（RogerPenrose）提出了一個有趣但有爭議的循環(huán)宇宙模型，稱為“共形循環(huán)宇宙模型”。其靈感來自于一個有趣的數(shù)學聯(lián)系，即宇宙的一個非常熱、致密、小的狀態(tài)——就像在大爆炸時那樣——和宇宙的一個極端冷、空、膨脹的狀態(tài)——就像其最終歸宿那樣。他解釋這種對應關系的激進理論是，當達到極限時，這些狀態(tài)在數(shù)學上是相同的。

在這種觀點下，大爆炸起源于一個幾乎沒有任何東西的世界。這就是宇宙中所有物質被消耗成黑洞后留下的東西，而黑洞又被蒸發(fā)成光子，消失在真空中。

那么，同一個狀態(tài)怎么可能即是一個冷的、空的宇宙，而從另一個角度看，又是一個熱的、稠密的宇宙？答案在于一個稱為“共形重縮放”的復雜數(shù)學過程，這是一種幾何變換，實際上改變了對象的大小，但保持其形狀不變。

彭羅斯展示了冷空態(tài)和熱密態(tài)是如何通過這樣的重新縮放來關聯(lián)的，這樣它們就可以與時空的形狀相匹配，盡管與它們的大小無關。彭羅斯認為，在這種極端的物理環(huán)境中，尺寸這個概念不再有意義。

在共形循環(huán)宇宙學中，解釋的方向從“古老寒冷”到“年輕炎熱”：熱密態(tài)的存在是因為冷空態(tài)。但它的因果關系隨時間而變化。在這些極端狀態(tài)下，時間可能也不再相連續(xù)。冷空狀態(tài)和熱密狀態(tài)實際上位于不同的時間線上。從觀察者的角度來看，冷空態(tài)在其自身的時間幾何學中將永遠持續(xù)下去，但它所產生的熱密態(tài)實際上“占據了”一個新的時間軸。

也許我們應該說，熱密態(tài)是從冷空態(tài)中產生的，或是基于冷空態(tài)，或是由冷空態(tài)實現(xiàn)的。這些獨特的形而上學思想已經被科學哲學家們廣泛探索，特別是在量子引力的背景下，普通的因果關系似乎被打破了。

理論的證據

共形循環(huán)宇宙學為我們的大爆炸從何而來的問題提供了一些詳細的、推測性的答案。但是，即使彭羅斯的觀點未來能夠被宇宙學所證明，卻仍然無法回答一個更深層次的問題——一個關于物理現(xiàn)實本身從何而來的，整個循環(huán)系統(tǒng)是如何產生的？

對于這一更深層次的問題，有三種可供選擇的解釋。這根本沒有物理上的解釋?；蛘呖赡艽嬖跓o休止的重復周期，每個周期都是一個宇宙，每個宇宙的初始量子態(tài)都可以用之前宇宙的某些特征來解釋?；蛘呖赡苡幸粋€單一的周期，一個單一的重復宇宙，這個周期的開始由它自己的結束的一些特征來解釋。

彭羅斯設想了一系列無休止的新周期進行解釋，這與他自己對量子理論的偏好有關。在量子力學中，一個物理系統(tǒng)同時存在于許多不同狀態(tài)的疊加中，當我們測量它時，它只會隨機“挑選一個”呈現(xiàn)出來。每個周期都涉及到隨機量子事件，結果是不同的——這意味著每個周期將不同于之前和之后的周期。這就可以讓我們通過普朗克衛(wèi)星觀測到的大爆炸遺留輻射中的微弱痕跡或異?，F(xiàn)象，瞥見一些宇宙誕生的線索。

彭羅斯認為他們可能已經發(fā)現(xiàn)了這些線索，但是他的觀測結果受到了其他物理學家的質疑。

宇宙微波背景輻射圖

有一種自然的方法可以將共形循環(huán)宇宙學從多循環(huán)形式轉換為單循環(huán)形式。那么，物理現(xiàn)實就是在遙遠的將來，在大爆炸中循環(huán)到一個最大的空狀態(tài)，然后再循環(huán)到同一個大爆炸，再次產生同一個宇宙。

這就是多元宇宙的解釋。它告訴我們，每次測量一個處于疊加狀態(tài)的系統(tǒng)時，這個測量并不會隨機選擇一個狀態(tài)。相反，測量結果只是一種可能性，即在我們自己的宇宙中發(fā)揮作用的可能性。其他測量結果都在多元宇宙中的其他宇宙中發(fā)揮作用，實際上與我們自己的宇宙隔絕了。因此，無論發(fā)生某件事的幾率有多小，只要不是0，那么它就會發(fā)生在某個量子平行世界中。在其他世界，人們可能會中了彩票，或者被臺風卷進了云層，或者發(fā)生了別的事情。

多元量子理論給共形循環(huán)宇宙學帶來了新的轉折，我們的大爆炸可能是一個單一量子多元宇宙的重生，其中包含無限多個不同的宇宙，所有這些宇宙都發(fā)生在一起。一切可能的事情都會發(fā)生——然后它會一次又一次地發(fā)生。

古老的神話

對于一位科學哲學家來說，彭羅斯的理論是非常具有吸引力的。它為解釋大爆炸開辟了新的可能性，使我們的解釋超越了普通的因果關系。因此，這是探索物理解釋世界的一個很好的假說理論。

對于一個神話愛好者來說，彭羅斯理論描述的也是美麗的。因為彭羅斯的周期理論，與古代神話中的大毒蛇（或稱世界蛇）傳說有一定的相似性，這其中包括挪威神話，埃及神話等等。

圖坦卡蒙（Tutankhamun）陵墓上的大毒蛇

一個循環(huán)宇宙中的大毒蛇確實是雄偉的，腹中包含著宇宙萬物，以及量子物理學所允許的每一個奇異而奇妙的替代可能的宇宙——在它的頭部與尾部相交的地方，完全是空的，但也充滿了溫度為10萬億攝氏度的能量。

引用

Putting the size of the universe into human perspective – (Universal-Sci)

Special lettuce grown in space will help future Mars-bound astronauts prevent bone loss – (Universal-Sci)