时间有起始点吗？

　　大爆炸真的是时间的起点吗？抑或宇宙在大爆炸之前就已经存在？如果在10年前提出这样的问题，那简直是对宇宙学大逆不道了；绝大多数宇宙学家会认为，思考大爆炸以前的时间，就像打听北极以北的地方在哪里一样。然而，理论物理学的发展，尤其是弦论的出现，大大改变了宇宙学家的视角，大爆炸前的宇宙已成了宇宙学的研究前沿。

　　探索大爆炸之前发生过什么的新思潮，其实只是数千年来的理性钟摆的最新一次摆动。几乎在每一种文明中，终极起源的问题都会让哲学家和神学家忙个没完没了。它所关怀的问题让人应接不暇，其中著名的一个出现在PaulGaugin（高更）1897年的名画中：“我们从哪里来？我们是什么？我们往哪里去？”这幅作品描绘了生老病死的轮回：每个人的起源、身份与宿命，而这份对个人的关怀，直接连系着宇宙的命运。人类可以寻根，追溯自身的血统，穿越世世代代，回到我们的动物祖先，再溯及生命的早期形式和初始生命，然后回到原生宇宙中合成的元素，再到更早期空间中的飘渺能量。我们的谱系树是否可以这样一直无休止地延伸下去呢？抑或它会终止于某处？宇宙是否也像人类一样，并非永恒的？

　　古希腊人曾就时间的起源有过激烈的争论。亚里斯多德主张“无”不能生“有”，而站在了时间“没有起点”的阵营。如果宇宙不能“无中生有”，那它过去必然是一直存在的。基于这些理论，时间必定是朝着过去和未来两端无限延伸。而基督教神学家则倾向于相反的观点。奥古斯丁坚决主张，神存在于空间和时间之外，而且创造了时空和整个世界。有人问道：“神在创造这个世界之前在做什么？”奥古斯丁答道：“时间本身就是神创造的产物之一，所以根本就没有‘之前’可言！”

　　爱因斯坦的广义相对论，引导当代宇宙学家得出了几乎一样的结论。广义相对论认为，空间和时间是柔软可塑的实体。在大尺度上，空间本质上是动态的，会随时间而膨胀或收缩；它承载物质的方式，就像海浪承载浮物一样。1920年代，天文学家观测到遥远的星系正在彼此远离，从而证实宇宙正在膨胀。接着，物理学家StephenHawking（霍金）与RogerPenrose（彭若斯）在1960年代证明，时间不可能一直回溯下去。如果你把宇宙历史一直往回倒退，所有的星系终会挤到一个无穷小的点（称为即奇点）上，这与它们掉进黑洞的意思差不多。每个星系或其前身都被压缩到零尺寸，而密度、温度和时空曲率等物理量则变成无穷大。奇点就是宇宙万物的起点，超过这一界限，我们的宇宙谱系树就无法再往前延伸了。

　　宇宙是均匀的？

　　这个无法避免的奇点，给宇宙学家带来了令人不安的严重问题。特别是，奇点与宇宙在大尺度上所展示的高度均匀性及各向同性似乎有矛盾。由于宇宙在大尺度上到处都相同，因此在相距遥远的区域之间，必以某种方式传递信息，以协调彼此的性质。然而，这与旧的宇宙学规范相抵触。

　　具体来说，不妨想一下从宇宙微波背景辐射释放后，这137亿年来发生的事情：由于宇宙的膨胀，星系间距离增大了1000倍，而可观测宇宙的半径，则增大了10万倍之多（由于光速超过宇宙膨胀速度）。我们今天看到的宇宙，有很大一部分是我们在137亿年所看不到的。的确，在宇宙历史上，现在那些来自最遥远星系的光，还是第一次到达银河系。

　　尽管如此，银河系与那些遥远星系的性质，竟然基本上是一样的。这就好比你参加一个聚会，发现自己穿的衣服与十多位好友的一模一样。如果只有两人衣着相同，用巧合还可以解释得过去。可是如果十几个人衣着都相同，那八成是他们事先约好了。在宇宙学中，这个数字不是十几个，而是数万个——这是全天域微波背景中的天区数量，它们彼此独立，但统计上却完全等同。

　　一种可能性是，这些空间区域诞生伊始便被赋予了相同的性质，换言之，均匀性只不过是个巧合。然而，物理学家想出了两种更自然的途径来摆脱僵局：让早期宇宙要么比标准宇宙小得多，要么老得多。任一条件（或者两者一起），都有可能实现各个空间区域之间的相互联系。

　　当前最流行的是第一种途径。假设宇宙在早期历史中曾经历一次快速膨胀，称为暴胀。在暴胀之前，星系或其前身全都紧密地挤在一起，因此可以容易地协调它们的性质。在暴胀阶段，由于光速赶不上暴胀的速度，它们便彼此失去了联系。暴胀结束后，膨胀速度开始放慢，因此各星系间又逐渐恢复了联系。

　　物理学家将暴胀所迸出的能量，归因于大爆炸之后约10*-35秒一个新的量子场“暴胀子”中所储存的势能。势能与静质能和动能不同，它可以产生引力排斥效应。通常的物质引力会减慢宇宙膨胀，但暴胀子却会加速宇宙膨胀。暴胀理论于1981年问世，至今已经解释了众多的精确观测结果[参见本刊1984年第9期AlanH?Guth与PaulJ?Steinhardt所著《爆胀宇宙》和2004年第4期的专题报道《打开宇宙的四把钥匙》]。不过，还有一系列潜在的理论问题没有解决，首当其冲的是，暴胀场子究竟是什么？以及如此巨大的初始势能从何而来？

　　第二种途径较不为人所知，那就是避开奇点。如果时间不是始于大爆炸，如果在目前的膨胀开始之前，宇宙就已经存在很长一段时间了，那么物质就有充裕的时间把自己的分布安排得比较平滑。因此研究人员已开始重新检视导出奇点的推导过程。

　　推导过程中假设相对论始终有效，看来是大有问题的。在接近一般认定的奇点时，量子效应必定越来越重要，甚至起到主导的作用。正统的相对论没有考虑到这类效应，因此，认定奇点不可避免，无疑是过份相信了相对论。要弄清真正发生的情况，物理学家必须把相对论纳入到量子引力理论中。这个任务让爱因斯坦以后的物理学家伤透脑筋，直到1980年代中期，进展还几乎等于零。

　　弦论的革命

　　如今，有两个好方案出现了。第一个叫“圈量子引力”，它完整保留了爱因斯坦理论的精髓，只是改变了欲符合量子力学条件的程序[参见本刊2004年第3期LeeSmolin所著《量子化时空》一文]。过去几年中，圈量子引力的研究者取得了长足的进展，获得了非常深刻的认识。然而，或许对传统理论的革命不够深入，因而无法解决引力量子化的根本问题。类似的问题在1934年也出现过，当时费米（EnricoFermi）提出了他的弱核力有效理论，令粒子物理学家大伤脑筋。所有建立量子费米理论的努力，全都悲惨地一无所获。结果真正需要的，并不是新的枝巧，而是在1960年代后期，格拉肖（SheldonL?Glashow）、温伯格（StevenWeinberg）和萨拉姆（AbdusSalam）的电弱理论所带来的根本翻修。

　　第二个就是弦论，我认为比较有前途。弦论对爱因斯坦理论进行了真正的革命性改造，本文将着重讨论；尽管圈量子引力的支持者声称，他们也得出了许多相同的结论。

　　弦论萌生于1968年，那是我用于描述核子（质子和中子）及其作用力的模型。尽管在问世之初引起不小的轰动，这一模型最终还是失败了，让位给了量子色动力学。后者用更基本的夸克来描述核子，而弦论就被舍弃了。夸克被禁锢在质子或中子内，彼此就好似用橡皮弦把它们拴在一起。现在回顾起来，最初的弦论其实已经抓住了核子世界中弦的要素。沉寂一段时间之后，弦论又以结合广义相对论和量子理论的姿态，东山再起了。

　　弦论的核心概念，是基本粒子并非点状物，而是无限细的一维实体，也就是弦。在基本粒子庞大的家族中，每种粒子都有自己的特性，这反映在一根弦有多种可能的振动模式上。这样一个看似简单的理论，如何能够描述粒子及其作用力的复杂世界呢？答案可以在我们所说的“量子弦魔术”中找到。一旦把量子力学套用到振动的弦（与小提琴弦没两样，只不过其上的振动以光速传播）上面，崭新的性质便出现了。所有这些性质，对于粒子物理学和宇宙学具有深刻的启示。

　　首先，量子弦的尺度有限。如果不考虑量子效应，一根小提琴弦可以一分为二，再一分为二，这样一直分割下去，直至最后变成一些无质量的点状粒子。但是分割到一定程度，海森堡的测不准原理就会介入，防止最轻的弦被分割到10*-34米以下。这个不能再分割的长度量子，用ls表示，是弦论引入的一个全新的自然常数，与光速C和普朗克常数h并列。它在弦论的几乎所有方面都起着决定性的作用，为各种物理量设定了上下限，防止它们变成零或无穷大。

　　其次，就算没有质量的量子弦，也可以有角动量。在经典物理学中，角动量是绕轴旋转的物体所具有的一种性质。计算角动量的公式是速度、质量以及物体到转轴距离三者之乘积，因此无质量的物体不可能具有角动量。但在微观世界中，由于存在量子涨落，情况有所不同。一根微小的弦即使没有任何质量，也可以获得不超过2h的角动量。这一性质令物理学家喜出望外，因为它同所有已知的基本作用力载体（如传播电磁力的光子或者传播引子的引力子）的性质不谋而合。回顾历史，正是角动量让物理学家注意到弦论中含有量子引力。

　　第三，量子弦要求在通常的3维之外，还存在额外的空间维度。经典的小提琴弦，不管时空的性质如何，都可以振动，而量子弦就挑剔多了。要使描述量子弦振动的方程能够自洽，时空必须是高度弯曲的（这与观测结果相矛盾），否则它就应该含有6个额外的空间维。

　　第四，物理常数（出现在物理方程中并决定自然界性质，例如牛顿常数与库仑常数）不再具有任意给定的固定值。它们在弦论中以场的形式出现，就如电磁场一样，可以动态地调整它们的数值。在不同的宇宙时期或者在相隔遥远的空间区域，这些场可能取不同的值；即使到了今天，这些常数可能还会有微小幅度的变化。只要观测到任何这类变化，可就是弦论的一大进展了[相关文章即将在本刊登载]。

　　这其中的所谓“膨胀子场”是整个弦论的关键，它决定了所有作用力的总强度。弦论学家对膨胀子特别感兴趣，因为它的量值可以重新解释为一个额外空间维的尺度，从而给出一个11维时空。

　　系紧松头

　　量子弦使物理学家最终认识到，自然界存在新的重要对称，称为“对偶性”（duality），它改变了我们对尺度极小的微观世界的直觉。