在現(xiàn)代主流科學(xué)理論中，我們的宇宙誕生于 138 億年前的一次大爆炸。
起初，存在一個體積無限小、密度和溫度無限高的奇點，它突然急劇膨脹，進而催生了我們?nèi)缃袼幍挠钪?。不僅物質(zhì)和能量自此產(chǎn)生，就連時間和空間也是在宇宙大爆炸之后才出現(xiàn)的。
然而，宇宙大爆炸以及那個神秘莫測的奇點，總是充滿了諸多令人費解的疑問。奇點本身就極為詭異，畢竟我們很難在腦海中構(gòu)建出一個體積無限小的點究竟是以何種方式存在的。
而更為關(guān)鍵的問題是：這個奇點最初是如何形成并存在的，它又存在于何處呢？
對于這一問題，實際上科學(xué)家們目前也沒有確鑿的答案，直白地說就是 “不知道”。不過，科學(xué)家們掌握的相關(guān)知識顯然比我們普通大眾要豐富得多。
首先需要明確的是，奇點并非存在于某個常規(guī)空間中的點。其次，宇宙大爆炸也并非從某個特定的點開始向四周擴散。
奇點，更多地是一個數(shù)學(xué)上的概念，它代表著數(shù)學(xué)對象中無法正常處理的點，在該點上，數(shù)學(xué)沒有明確的定義。打個比方，假設(shè)有一個函數(shù)f(x)=1/x，當(dāng)x等于 0 時，函數(shù)的值趨近于無窮大。但在數(shù)學(xué)概念里，無窮大并非一個具有明確、特定定義的值，所以\(x = 0\)就是上述函數(shù)的奇點。
由此可見，“宇宙是從一個無限小的點開始的” 這種表述并不嚴(yán)謹(jǐn)，是對奇點概念的一種誤解。那么，究竟該如何正確理解宇宙大爆炸時的奇點呢？
上世紀(jì) 20 年代，美國著名物理學(xué)家哈勃在對遙遠星系的運動進行觀察時，發(fā)現(xiàn)了一個看似異常的現(xiàn)象：遙遠的星系都在加速遠離地球，而且距離地球越遠的星系，其遠離地球的速度就越快。
基于廣義相對論，如果我們將時間逆向推演，就能夠得出這樣的結(jié)論：在有限的過去時間里，宇宙必定處于一種極度密集且極度高溫的狀態(tài)。
在這種狀態(tài)下，包括廣義相對論在內(nèi)的所有已知物理定律都會徹底失效，而這種特殊的狀態(tài)就被定義為 “奇點”。
由此可見，“體積無限小，密度溫度無限高的奇點” 這種描述其實并不準(zhǔn)確。只不過在很多科普內(nèi)容中，為了讓大眾更容易理解奇點的概念，會采用這樣較為通俗的說法，實際上我之前也使用過類似表述。
真實的情況是，如果我們將時間回溯到 138 億年前，可觀測宇宙確實處于一個體積非常小的范圍內(nèi)，這個范圍甚至遠小于一個電子。但需要注意的是，可觀測宇宙并不能等同于整個宇宙，它僅僅是宇宙的一部分。
宇宙的真實大小要遠遠超過可觀測宇宙。由于宇宙膨脹的速度超過了光速，可觀測宇宙之外的光線信息永遠無法抵達地球。所以，對于目前的我們而言，那部分宇宙在實際意義上是無法觸及和認(rèn)知的。
那么，真實的宇宙到底有多大呢？依據(jù)當(dāng)前的科學(xué)理論和觀測結(jié)果推測，真實宇宙的大小很可能是無限的。
一個無限大的宇宙，無論怎樣收縮，都不可能在有限的時間內(nèi)收縮成一個有限大小的點。但是，無限大的宇宙卻可以持續(xù)膨脹，其方式就是在自身內(nèi)部不斷地拓展空間。
既然如此，奇點到底是怎么一回事呢？我們先來了解一下現(xiàn)有科學(xué)理論對奇點以及宇宙大爆炸瞬間的研究成果。
宇宙大爆炸瞬間可以進一步細分為三個階段。
第一階段是電弱時代。在大爆炸發(fā)生后的大約10的-32次方秒，此時的可觀測宇宙大小僅相當(dāng)于一粒沙子。宇宙的溫度依舊高得驚人，希格斯場無法賦予基本粒子靜質(zhì)量。這就導(dǎo)致所有的基本粒子靜質(zhì)量都為零，它們都只能以光速在宇宙中飛行。
不過，在這一時期，弱相互作用與電磁力已經(jīng)合并成了電弱力，所以這個階段被稱為 “電弱時代”。在這個階段，人類現(xiàn)有的物理定律已經(jīng)能夠?qū)ζ溥M行較為完善的解釋?？茖W(xué)家們甚至可以通過大型粒子對撞機，模擬出如此高的溫度環(huán)境，以此來驗證電弱力理論的正確性。
第二階段是大統(tǒng)一時代。在大爆炸發(fā)生后的大約10的-36次方秒，當(dāng)時宇宙的溫度高達10的27次方度。在這樣極高的溫度條件下，強相互作用也會與電弱力相互融合，三種基本力合并在一起。如今，有許多理論都致力于研究這三種力的統(tǒng)一，這也被稱為 “大統(tǒng)一理論”。
然而，目前科學(xué)家們還無法通過實驗來驗證大統(tǒng)一理論。因為即便是當(dāng)前最強大的大型粒子對撞機，也無法創(chuàng)造出如此高的溫度和能量，從而無法使強相互作用與電弱力實現(xiàn)合并。
要想驗證大統(tǒng)一理論，我們需要一臺能夠提供現(xiàn)有對撞機能量 1000 億倍的更強大對撞機，這對于人類目前的科技水平而言，是一個巨大的挑戰(zhàn)。甚至有觀點認(rèn)為，依靠對撞機這種方式來驗證大統(tǒng)一理論，最終可能會陷入死胡同。
第三階段是普朗克時代。在大爆炸發(fā)生一個普朗克時間，也就是大約10的-43次方秒時，當(dāng)時的可觀測宇宙大小僅為普朗克長度。廣義相對論預(yù)言，在普朗克時代，四大基本作用力完全統(tǒng)一在一起。然而，在這樣極小的尺度下，描述引力和時空的廣義相對論遇到了奇點問題。
在微觀世界中，我們需要用量子力學(xué)來進行描述。但廣義相對論與量子力學(xué)之間存在著沖突，如何解決這一沖突呢？這就需要一個更為高級的理論，即量子引力理論，也被稱為 “萬有理論”。在眾多試圖解決這一問題的理論中，超弦理論是一個極具競爭力的候選理論。
說了這么多，所謂的奇點，實際上是現(xiàn)有物理學(xué)面臨的一個奇點。通俗來講，奇點就像是現(xiàn)有物理學(xué)發(fā)展道路上的一塊巨大絆腳石，它讓我們現(xiàn)有的理論體系難以自洽地解釋宇宙最初的狀態(tài)。但隨著新的物理理論不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，物理學(xué)上的奇點問題有可能會迎刃而解，這個看似不可逾越的障礙或許會隨著理論的完善而自動消失。
另外，需要指出的是，大爆炸理論本質(zhì)上是一種假說。它是科學(xué)家們根據(jù)宇宙膨脹等一系列觀測現(xiàn)象，推測出的宇宙在過去某個時期的一種可能狀態(tài)。大爆炸理論本身并不能確切地告訴我們大爆炸究竟是如何發(fā)生的，為什么會發(fā)生，更無法告知我們在大爆炸之前宇宙處于何種狀態(tài)。
要想解答上述這些深層次的問題，我們需要新的理論和假說，例如量子場論。
那么，什么是量子場論呢？
量子場論是將量子力學(xué)、狹義相對論和經(jīng)典場論相結(jié)合而形成的物理理論，它在粒子物理學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。量子場論為描述多粒子系統(tǒng)，尤其是那些包含粒子產(chǎn)生和湮滅過程的復(fù)雜系統(tǒng)，提供了一個極為有效的理論框架。
在量子場論中，粒子被看作是場的量子激發(fā)態(tài)，每一種不同的粒子都對應(yīng)著一種特定的場。
具體來說，宇宙并非處于絕對 “無” 的狀態(tài)，而是充滿了各種場，這些場相互交織，構(gòu)成了一種 “混沌” 的狀態(tài)。在初始階段，這些場都處于穩(wěn)定的基態(tài)。但是，根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，基態(tài)的場會受到各種微觀因素的影響而被激發(fā)。一旦場被激發(fā)，就會產(chǎn)生相應(yīng)的基本粒子。
例如，當(dāng)電子場受到激發(fā)時，就會產(chǎn)生電子；中微子場被激發(fā)后，會形成中微子；希格斯場被激發(fā)則會產(chǎn)生希格斯粒子。
按照量子力學(xué)不確定性原理，基態(tài)的場總是會受到各種微觀漲落的影響而被激發(fā)，從而產(chǎn)生各種基本粒子，這個過程就是我們通常所說的 “量子漲落”。
宇宙最初就處于各種場相互交織的 “混沌” 狀態(tài)。而量子效應(yīng)表明，在極短的時間尺度內(nèi)，任何隨機事件都有可能發(fā)生，具體表現(xiàn)為量子的隨機漲落。在一般情況下，通過量子漲落產(chǎn)生的基本粒子會在瞬間相互湮滅，重新回歸到能量狀態(tài)。
我們不能用宏觀世界中經(jīng)典物理的思維模式來理解量子效應(yīng)。正如前面所說，只要時間足夠短，量子世界中就可能發(fā)生任何看似不可思議的事件。
這意味著，在極其漫長的時間長河中的某個瞬間，必然會出現(xiàn)這樣一種特殊的隨機事件：通過量子漲落產(chǎn)生的基本粒子并沒有發(fā)生湮滅，而是穩(wěn)定地存在了下來。而這些穩(wěn)定存在的基本粒子，就成為了宇宙起源的最初物質(zhì)基礎(chǔ)和動力源泉。
在量子世界里，時間的概念與我們在宏觀世界中所感受到的截然不同?？梢酝ㄋ椎乩斫鉃椋毫孔邮澜缋锏囊凰查g，從某種意義上來說，就相當(dāng)于我們宏觀世界中的 “永恒”。
在宇宙最初各種場交織的 “混沌” 狀態(tài)下，經(jīng)過漫長時間的量子漲落，必然會孕育出我們現(xiàn)在所處的宇宙。而且，這種量子漲落并非只會產(chǎn)生我們這一個宇宙，實際上，它會隨機產(chǎn)生無限多個宇宙。
因為量子漲落本身是完全隨機的，它既可以通過特定的漲落模式產(chǎn)生出我們所生活的這個宇宙，也同樣可以通過其他不同的隨機漲落方式，孕育出無數(shù)個其他的宇宙。
由此可見，運用量子場論來解釋宇宙的起源以及奇點問題，就不會再陷入 “宇宙奇點之外是什么” 這樣令人尷尬的思維困境。因為按照這種理論，所謂的奇點或者宇宙本身，都是通過量子漲落自然而然地出現(xiàn)的。如果非要追問奇點之外是什么，那么答案就是：存在著其他通過量子漲落產(chǎn)生的奇點和宇宙。
宇宙最初各種場交織在一起的 “混沌狀態(tài)”，可以形象地比喻成一片無邊無際的汪洋大海。而場的激發(fā)過程，就如同這片平靜的大海從風(fēng)平浪靜變得波濤洶涌，大海中濺起的無數(shù)水珠，就類似于在量子漲落中產(chǎn)生的 “微觀粒子” 或者 “奇點”。很顯然，在波濤洶涌的大海中，濺起的水珠不可能只有一個，而是會產(chǎn)生無數(shù)個，這就如同量子漲落會產(chǎn)生眾多的微觀粒子和可能的宇宙奇點一樣。
當(dāng)然，你可能還會進一步追問：如果量子場論是正確的，那么宇宙最初各種場交織在一起的 “混沌” 狀態(tài)又是從何而來的呢？
對于這個問題，目前沒有人能夠給出確切的答案。不只是我這樣的普通科普作者無法回答，實際上，以人類現(xiàn)有的認(rèn)知水平和科學(xué)技術(shù)，任何人都難以知曉這個問題的答案。
我們之所以無法回答這個問題，根源在于人類自身存在諸多局限性。
這種局限性體現(xiàn)在多個方面，包括人類的認(rèn)知能力有限，我們受到所處時代的科技水平和知識儲備的束縛，人類長期以來形成的某些固有觀念也會限制我們對未知世界的探索，甚至我們所生活的四維時空本身，也在某種程度上限定了我們對宇宙深層次奧秘的理解。這些因素綜合起來，造就了我們在認(rèn)識宇宙起源等終極問題上的局限性。
舉個最為直觀的例子，在我們?nèi)祟愰L期形成的固有觀念中，因果律被認(rèn)為是必然成立的，即任何事件的發(fā)生都必然有其原因，有因必有果，有果必有因。
然而，因果律真的在所有情況下都絕對成立嗎？或許因果律僅僅在我們?nèi)粘Ｉ钏幍乃木S宏觀世界中適用，一旦我們跳出這個熟悉的環(huán)境，進入到微觀的量子世界或者更為宏大的宇宙尺度，因果律可能就不再成立了。
再比如，在我們的固有思維里，任何事物、任何事件都必然有一個開端，都需要有一個起始的源頭。這也是為什么很多人會對 “宇宙最初的混沌狀態(tài)是怎么來的” 這個問題感到困惑并不斷追問。這種思維模式可以簡單表述為：如果 B 是由 A 產(chǎn)生的，那么 A 又是由什么產(chǎn)生的呢？按照這種邏輯不斷追問下去，最終必然會陷入一個無法解答的死胡同。
為什么會陷入這樣的困境呢？我們目前并不清楚確切原因。
但有一種可能的解釋是：我們從一開始對世界的認(rèn)知思維方式就存在偏差。我們憑什么認(rèn)定萬事萬物都必須有一個開端呢？在目前已知的大自然法則中，并沒有任何一條明確規(guī)定萬物都必須有一個起始點。
其實，從科學(xué)哲學(xué)中 “證偽” 和 “不可證偽” 的角度來看，“萬物都必須有一個開端” 這種觀點也并非無懈可擊，或者說它在現(xiàn)實科學(xué)研究中并沒有太大的實際意義。
因為在科學(xué)領(lǐng)域，如果一個命題或者觀點無法被證偽，也就是說無論通過何種方式、何種實驗或者觀測，都無法找到證據(jù)來反駁它，那么從某種程度上講，這個命題就等同于不存在，或者說它不具備現(xiàn)實意義。
卡爾?薩根曾經(jīng)提出過一個關(guān)于龍的著名比喻：
你聲稱：我家的車庫里有一條會噴火的龍！ 我回應(yīng)道：真的嗎？那能不能讓我親眼看一看呢？ 你解釋說：很遺憾，這條龍是隱形的，即便你打開車庫大門也看不到它，實際上，只有我自己能看到這條龍。 我又提議：那它不是會噴火嗎？我們可以測試一下車庫里的溫度有沒有升高呀。
你繼續(xù)回應(yīng)：非常遺憾，我這條龍噴出來的火是冷的，它不會使車庫的溫度升高。但是，請相信我，這條龍確實存在。 我接著說：...... 那我能不能往車庫里噴漆，這樣如果龍存在的話，它身上就會沾上油漆從而現(xiàn)身。
你再次表示：很遺憾，這條龍的鱗片不會沾上油漆，所以即便你這么做，也肯定看不到它。不過，請一定要相信我，它真的存在！
從這段對話中可以看出，對于我提出的每一個試圖驗證你說法的測試方法，你都能通過增加一個特殊的前提條件來規(guī)避驗證，最終導(dǎo)致我永遠無法找到證據(jù)來推翻你的說法。
這就使得你的這個說法變得不具有可證偽性。在科學(xué)上，這類無法被證偽的命題是沒有實際研究價值的，這也正是奧卡姆剃刀原理的體現(xiàn)：如無必要，勿增實體。
我們同樣可以運用這個原理來思考我們的宇宙，以及宇宙大爆炸和奇點之前、之外的問題。由于我們?nèi)祟惸壳暗恼J(rèn)知范圍被局限在可觀測宇宙之內(nèi)，我們所總結(jié)出來的物理定律也僅僅適用于我們已知的這個宇宙部分。
那么，從這個角度來看，討論 “宇宙之外” 之類的問題實際上是缺乏現(xiàn)實意義的，因為這類問題無論如何都無法通過現(xiàn)有的觀測手段進行驗證。
當(dāng)然，這并不意味著我們永遠無法觸及這些問題的答案，只是說明我們不能僅僅依靠現(xiàn)有的 “科學(xué)手段” 去理解它們。畢竟科學(xué)并非是萬能的，它也不是我們認(rèn)識宇宙的唯一途徑。
除了科學(xué)，還有哲學(xué)、宗教或者神學(xué)等其他方式可以幫助我們思考宇宙的奧秘。哲學(xué)通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评韥硖接懹钪娴谋举|(zhì)和規(guī)律，在邏輯層面上具有自洽性；而宗教或神學(xué)則更多地依賴于主觀信仰，為人們提供一種精神層面的寄托和對宇宙終極問題的解釋。
然而，人類始終致力于運用科學(xué)的手段去詮釋宇宙的奧秘。
畢竟，回顧人類文明的發(fā)展歷程，我們今天所取得的幾乎所有偉大成就，都離不開科學(xué)的強大力量。要想用科學(xué)手段徹底詮釋宇宙起源等深層次問題，就要求我們必須勇于突破傳統(tǒng)思維的枷鎖，甚至要嘗試突破四維時空對我們認(rèn)知的束縛。
只有這樣，我們才有可能站在更高的視角，以一種類似 “上帝視角” 的方式，重新審視宇宙的起源，逐步揭開宇宙那神秘而又迷人的面紗。
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