燒腦科普：大爆炸是如何從虛無中產生的？
物理學家布萊恩·考克斯（Brian Cox）在最近的BBC連續劇《宇宙》（Universe）中發出了這樣的警告。最後壹顆恒星的消失，只是壹個無限漫長黑暗時代的開始。所有的物質最終都將被巨大的黑洞吞噬， 而黑洞又會蒸發成最微弱的光芒。
空間會不斷向外擴張，直到昏暗的光線也會擴散到無法相互作用的程度。活動將停止。
真的會這樣嗎？ 奇怪的是，壹些宇宙學家認為，像我們遙遠未來的這樣壹個寒冷、黑暗、空無壹物的宇宙，可能就是我們自己的大爆炸的源頭。
第壹件事
但在此之前，我們先來看看“物質（material）” —— 物理物質 —— 是如何產生的。如果，我們的目標是解釋由原子或分子組成的穩定物質的起源，那麽在大爆炸時期，甚至在之後的幾十萬年裏，肯定都沒有這些東西。
事實上，我們確實有相當詳細的了解，壹旦條件冷卻到足以使復雜物質穩定下來，最初的原子是如何由簡單粒子形成的，以及這些原子後來是如何在恒星內部融合成更重的元素的。但這種理解，並不能解決某些東西是否從無到有的問題。
讓我們再往回想。第壹批壽命最長的物質粒子是質子和中子，它們***同組成了原子核。它們是在大爆炸後的萬分之壹秒左右出現的。
在此之前，確實沒有任何熟悉的詞義上的材料。 但是物理學讓我們繼續追溯時間線 —— 追溯到任何穩定物質之前的物理過程。
這就把我們帶到了所謂的“大統壹時代”。到目前為止，我們已經很好地進入了推測物理學的領域，因為我們無法在實驗中產生足夠的能量，來探測當時正在發生的過程。
但壹種看似合理的假設是，物理世界是由壹堆短命的基本粒子組成的，包括誇克，它是質子和中子的基礎。
物質和“反物質”的數量大致相等：每壹種物質粒子，比如誇克，都有壹個反物質的“鏡像”伴侶，它與自身幾乎相同，只是在壹個方面有所不同。然而，當物質和反物質相遇時，它們會在瞬間的能量中湮滅，這意味著這些粒子會不斷地誕生和毀滅。
但這些粒子最初是如何存在的呢？量子場論告訴我們，即使真空，也被認為是空的時空，也充滿了能量波動形式的物理活動。這些波動會使粒子突然出現，但不久就會消失。
這聽起來像是數學上的怪癖，而不是真正的物理學，但這樣的粒子已經在無數的實驗中被發現。
時空真空狀態沸騰著，粒子不斷地被創造和毀滅，顯然是“無中生有”。但也許這壹切真正告訴我們的是，量子真空（盡管它的名字）是“有”，而不是“無”。
哲學家大衛·阿爾伯特（David Albert） 曾對大爆炸理論提出過令人印象深刻的批評，這些理論聲稱可以以這種方式無中生有。
假設我們問：時空本身又是從哪裏產生的？然後，我們可以繼續把時鐘撥回更遠的地方，回到真正古老的“普朗克時代” —— 這是壹個宇宙 歷史 上最早的時期，以至於我們最好的物理理論都崩潰了。
這個時代只發生在大爆炸後萬億分之壹秒的千萬分之壹。在這壹點上，空間和時間本身就受到量子漲落的影響。
物理學家們通常分別研究量子力學和廣義相對論，前者控制著粒子的微觀世界，後者適用於大的宇宙尺度。但要真正理解普朗克時代，我們需要壹個完整的量子引力理論，將兩者結合起來。
可是，我們仍然沒有壹個完美的量子引力理論，但已經有了壹些嘗試 —— 比如弦理論和圈量子引力論。在這些嘗試中，普通的空間和時間通常被視為湧現的，就像深海表面的波浪壹樣。
我們所經歷的空間和時間，是在更深層、微觀層面上運行的量子過程的產物 —— 這些過程對我們這種紮根於宏觀世界的生物來說沒有多大意義。
在普朗克時代，我們對空間和時間的普通理解崩潰了，所以我們也不能再依賴於我們對因果關系的普通理解。
盡管如此，所有量子引力的候選理論都描述了普朗克時代發生的壹些物理現象 —— 普通時空的某種量子先驅。但這是從哪裏來的呢？
即使因果關系不再適用於任何普通方式，仍然有可能用另壹種方式解釋普朗克時代宇宙的壹個組成部分。 不幸的是，到目前為止，即使是我們最好的物理學也無法完全提供答案。 在我們朝著“萬有理論”取得進壹步進展之前，我們將無法給出任何明確的答案。
在這個階段，我們最多可以自信地說，物理學到目前為止還沒有發現，任何從無到有的證實實例。
幾乎從零開始循環
要真正回答萬物如何從無到有的問題，我們需要解釋普朗克時代開始時，整個宇宙的量子狀態。
所有這樣做的嘗試都是高度投機的。他們中的壹些人像設計師壹樣訴諸超自然的力量。但其他候選解釋仍屬於物理學領域 —— 比如包含無限多個平行宇宙的多元宇宙，或者宇宙的循環模型，重生和再生。
2020年諾貝爾獎獲得者、物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）提出了壹個有趣但有爭議的循環宇宙模型，稱為“***形循環宇宙學”。
彭羅斯的靈感來源於壹個有趣的數學聯系，即宇宙的壹個非常熱、非常稠密、非常小的狀態（就像在大爆炸時那樣）和壹個非常冷、非常空、非常膨脹的狀態（就像在遙遠的未來壹樣）之間的聯系。
他解釋這種對應關系的激進理論是，當這些狀態達到極限時，這些狀態在數學上變得相同。 盡管看起來很矛盾，但物質的完全缺失可能會導致我們在宇宙中看到的所有物質。
在這種觀點下，大爆炸幾乎是從虛無中產生的。 這就是當宇宙中的所有物質都被吞噬成黑洞時剩下的東西，而黑洞又被蒸發成光子——消失在虛空中。
因此，從另壹個物理的角度來看，整個宇宙都是從某種近乎於虛無的東西中產生的。但“沒有”仍然是壹種東西。它仍然是壹個物理宇宙，盡管它是空的。
同樣的狀態怎麽可能從壹個角度看是壹個冷而空的宇宙，從另壹個角度看又是壹個熱而密的宇宙呢？答案在於壹種名為“***形縮放”的復雜數學程序，這是壹種有效地改變物體大小，但保持其形狀不變的幾何變換。
彭羅斯展示了冷致密態和熱致密態是如何通過這種縮放方式聯系在壹起的，從而使它們在時空的形狀上相匹配 —— 盡管大小不同。誠然，很難理解兩個大小不同的物體為什麽會以這種方式相同。但彭羅斯認為，在這樣極端的物理環境中，大小這個概念已經失去了意義。
在***形循環宇宙學中，解釋的方向是由老、冷到新、熱：熱密態因冷空態而存在。但這個“因為”不是我們所熟悉的那種 —— 壹個原因在壹段時間後會產生結果。在這些極端的狀態中，不僅大小不再重要，時間也壹樣。
冷致密態和熱致密態實際上位於不同的時間線上。從觀察者自己的時間幾何的角度來看，冷空的狀態將永遠持續下去，但它所產生的熱稠密的狀態實際上占據了壹個完全屬於它自己的新時間線。
它可能有助於理解以某種非因果方式從冷空態產生的熱致密態。 或許我們應該說，熱稠態是從冷態、空態中出現，或立足於，或由冷態、空態來實現的。
這些獨特的形而上學思想已經被科學哲學家廣泛地 探索 過，特別是在量子引力的背景下，普通的原因和結果似乎是破碎的。在我們知識的極限，物理學和哲學變得難以區分。
實驗證據呢？
正形循環宇宙學，為我們的大爆炸從何而來的問題提供了壹些詳細的（盡管是推測性的）答案。但是，即使彭羅斯的觀點被宇宙學未來的發展所證實，我們可能會認為，我們仍然沒有回答壹個更深層次的哲學問題 —— 壹個關於物理現實本身從何而來的問題。
整個循環系統是如何產生的？然後，我們最終以壹個純粹的問題結束：為什麽會有東西，而不是什麽都沒有 —— 這是形而上學中最大的問題之壹。
但我們這裏的重點是仍然停留在物理學領域內的解釋。對於周期是如何開始的這個更深層次的問題，有三個廣泛的選擇。
它可能根本沒有物理上的解釋。或者可能存在無窮無盡的循環，每個宇宙都有自己的權利，每個宇宙的初始量子狀態都可以用之前宇宙的某些特征來解釋。或者存在壹個循環，壹個重復的宇宙，這個循環的開始可以用它自己的結束來解釋。
後兩種方法避免了對任何無因事件的需要 —— 這賦予了它們獨特的吸引力。沒有什麽是物理學無法解釋的。
彭羅斯設想了壹系列無休止的新循環，部分原因與他自己對量子理論的首選解釋有關。在量子力學中，壹個物理系統同時存在於許多不同狀態的疊加中，當我們測量它時，只會隨機“選擇壹個”。
對於彭羅斯來說，每個周期都涉及以不同方式發生的隨機量子事件 —— 這意味著每個周期都將與其前後不同。 這對實驗物理學家來說實際上是個好消息，因為它可能讓我們通過普朗克衛星觀測到的大爆炸剩余輻射中的微弱痕跡或異常，壹瞥產生我們的舊宇宙。
彭羅斯和他的合作者相信，他們可能已經發現了這些痕跡，並將普朗克數據中的模式，歸因於先前宇宙中超大質量黑洞的輻射。然而，他們聲稱的觀測結果受到了其他物理學家的挑戰，陪審團仍然懸而未決。
無休止的新周期是彭羅斯自己願景的關鍵。但有壹種自然的方法可以將***形循環宇宙學從多循環形式轉換為單循環形式。那麽，物理現實就是這樣壹個循環：在大爆炸的過程中，在遙遠的未來進入壹個最大限度的空虛狀態，然後再次循環到同樣的大爆炸，再次產生同樣的宇宙。
後壹種可能性與量子力學的另壹種解釋是壹致的，被稱為“多世界解釋”。多世界解釋告訴我們，每次我們測量壹個處於疊加狀態的系統時，這個測量不會隨機選擇壹個狀態。相反，我們看到的測量結果只是壹種可能性 —— 在我們自己的宇宙中也存在這種可能性。
其他的測量結果都以多元宇宙的形式出現在其他宇宙中，實際上與我們自己的宇宙隔絕了。因此，無論某件事發生的幾率有多小，如果它有非零的幾率，那麽它就會發生在某個量子平行世界中。
在另壹個世界裏也有和妳壹樣的人，他們中了彩票，或者被壹場反常的臺風卷到雲中，或者自燃，或者同時做了這三件事。
有些人相信這樣的平行宇宙也可以在宇宙學數據中觀測到，因為另壹個宇宙與我們的宇宙碰撞時留下的印記。
多世界量子理論給***形循環宇宙學帶來了新的轉折，盡管彭羅斯並不贊同。我們的大爆炸可能是壹個量子多重宇宙的重生，它包含無限多個不同的宇宙，所有這些宇宙都在壹起發生。任何可能發生的事情都有可能發生 —— 然後它會壹次又壹次地發生。
壹個古老的神話
對於神話愛好者來說，彭羅斯的願景是美麗的。 在彭羅斯偏愛的多循環形式中，它承諾從祖先的灰燼中誕生無窮無盡的新世界。 在它的單循環形式中，它是對銜尾蛇（Oroboros）的古老思想的壹次驚人的現代重新調用。
在北歐神話中，巨蛇耶夢加得（J?rmungandr）是聰明的騙子洛基和巨大的安格博達的孩子。 耶夢加得吃了自己的尾巴，而創造出的圓圈，維持著世界的平衡。 但是，銜尾蛇的神話在世界各地都有記載，甚至可以追溯到古埃及。
單循環宇宙的銜尾蛇確實是雄偉的。它的腹部包含我們自己的宇宙，以及量子物理學所允許的每壹個奇怪而美妙的替代宇宙 —— 在它的頭部與尾部相遇的地方，它是完全空的，但也充滿了溫度為10億攝氏度的能量。