一切皆源于一次大爆炸，于是有了宇宙，有了宇宙中的芸芸星系，有了银河系，有了太阳系，地球和人类。

这仿佛就是一个遥远的故事，而这一故事起源于1922年俄罗斯物理学家弗里德曼(Alexander Friedmann)在广义相对论的基础上建立的一组运动方程。他由此推导出，浩繁的宇宙起源于一次没有任何几何尺寸的点，或者曲率趋于无穷大的小球大爆炸。

但他的理论太过于耸人听闻，因此没有得到物理学家和世人的认可。后来，他的学生伽莫夫(George Anthony Gamow)进一步完善了宇宙大爆炸理论，而这一理论也被天文观测所证实，于是大爆炸理论深入人心，被世人广泛接受。

但人类探索宇宙起源的努力并未就此停止，对现行的宇宙大爆炸理论的质疑和诟病源源涌现。好奇的人们要问，既然宇宙诞生于一次大爆炸，那么大爆炸之前真的是空寂无物？如不是万物皆空，那又是什么？宇宙大爆炸的原因是什么？宇宙大爆炸是数学和物理奇点，不满足任何已知的数学连续性和物理学定理，那么它满足什么样的规律？于是，这些疑问就是牵引着人类进一步探索宇宙起源的缘由。

1927年，比利时科学家勒梅特（Georges Lemaître）把广义相对论和当时刚刚兴起的量子理论联系在一起，建立了一套新颖的量子天文学。这一理论认为，宇宙起源于一个超远古时代的原子破裂。

就在同一时期，爱因斯坦（Albert Einstein）经过长期的困惑和痛苦思考，终于放弃了他于1917年建立的静态宇宙模型，承认整个宇宙有一个原点。但他也清醒地意识到，宇宙的原点是一个数学上和物理上的奇点，而这一奇点会使他的相对论陷入巨大的困境。他开始并不愿意接受这一奇点理论给他的相对论带来的困扰，但他迷途知返，最后彻底承认宇宙起源于一个具有超级密度的原点。这就是现在众所周知的宇宙大爆炸理论。

1946年，爱因斯坦在他的著作<<相对论基础>>的附录中写到: “现在的相对引力理论是建立在把引力场和物质分离的基础上的。很明显，这一理论并不适合密度巨大的物体。在一种新的统一场理论中也许就可以避免这样的奇点。”

现在现代物理学家所追求的神圣目标，就是寻找一个终极万能公式，把所有自然界的力统一起来，避免出现大爆炸和黑洞诸如此类的奇点。为此目的，天文学家必须借助于量子场论。

但直到今日，这一目标还没有实现。如果我们回顾整个天文学的发展历史，不论是古典的还是现行的天文学理论皆认为宇宙起源于一个奇点。为此，英国科学家彭罗斯（Roger Penrose）因为他和另一位英国科学家霍金（Stephen Hawking）于1970年共同发表的关于宇宙奇点理论而获得了2021年的诺贝尔物理学奖。而霍金却没有获得此奖，因为他已经于2018年去世。

他们的理论本质上就是一个矛盾体，把人类追求理论完善过程的悲喜剧集于一体。霍金本人曾经说过： “宇宙奇点论意味着古典的广义相对论是一种不完善的理论，因为我们一旦把这样的奇点从时间和空间中分离出来，我们就不可能为这些奇点建立运动方程，从而不能推测它们的发展演变过程”。这意味着，我们就不可能理解一个无任何几何尺寸的奇点为什么能够发展成为今天这样一个浩瀚的宇宙。

如果我们承认奇点的存在就会导致全部近代科学体系的坍塌，在爱因斯坦的广义相对论基础上建立的物理学和天文学理论都会失效。但霍金深信，物理学定理之所以是定理，它必须放之无际的宇宙尺度，无边的时间长河而皆准，包括大爆炸这一时空点。言下之意，他认为广义相对论不能够成为现代宇宙学的理论基础。

从数学的角度来看，奇点没有时空特性，它既不是宇宙中的空间位置，也不是实体物质。所以在现有的物理学基础上，我们没有任何可能性探知奇点的起源，现状和它未来的演变。

尽管奇点理论有违传统的物理规律和数学逻辑，但提倡它和支持它却大有人在，西班牙巴斯克大学物理学教授塞诺维利亚（Jose M. M. Sennovilla ）就是奇点理论的积极拥护者和倡导者。他曾经说过：“原则上，我们甚至不能准确地说出奇点存在于何时何处，但所有物质粒子和光子都可能在一瞬间从那子虚乌有中爆放出来。”

时至今日，天文学家仍然没有彻底明白天际线上的时空破缺，粒子的发展演变过程与空间无穷弯曲之间的关系，但他们坚信这一理论。无论如何，奇点理论证明了时空的非完备性。塞诺维利亚教授补充说道：“简而言之，一定发生了什么特别怪异之事，才导致时空破缺。”

实际情形也可能与天文学家想象的完全不一样，大爆炸的奇点并不是一个点，它的原始几何形状与由它演变而来的宇宙相似。如果空间各向异性和非均匀，那么奇点的质量和能量分布在各个方向和位置上就不一样，因此它看上去可能相似一支雪茄烟或者一个煎饼。对于一个无穷大的宇宙来说，奇点本身就是三维无穷的。塞诺维利亚教授继续说道：“在宇宙大爆炸的第一瞬间，无穷大的空间即已产生。”

如预证明奇点理论的正确性，我们需要借助下面三个基本的物理准则：

• 第一，无可逃逸空域。在一个有限的空域，如一个封闭的球体内部，任何物质都不能够逃逸引力的控制，也即不能飞离黑洞。
• 第二，弯曲和能量条件。空间任意位置的声音传播速度不能高于此位置的光速。空间不存在负质量和负能量密度。这就是说，引力永远是吸引力。
• 第三，因果律。在这一条件下，原因永远发生于结果之前。

反之，如果上面三个条件中至少有一条不满足，大爆炸时的弯曲奇点就不会发生。因此，理论上有很多可能性可以推翻奇点理论。为达此目标，天文学家已经建立几种很有前景的理论模型。

其中的一类为特定几何宇宙模型， 例如，圆柱对称宇宙模型或球体对称宇宙模型。这些模型虽然初期几何对称，但随着时间的演变却呈现鲜明的各向异性和非均匀性，在各个方向的膨胀也不尽相同。这些宇宙模型可以导致宇宙中不能够形成无可空逃逸空域。其原因是物质间的斥力，旋转，非均匀的剪切和压力梯度。当然这种宇宙模型还远不够成熟，不能够解释我们现在观察到的宇宙运行规律。在这些理论体系下，广义相对论也许并不适用于大爆炸的瞬间，因为时间在大爆炸时可能是不连续的，而是以间断的节拍向前推进，或者时间根本就消于无形。

第二类宇宙模型认为人类对能量和物质的理解并不完备，宇宙不仅可以无限地向未来迈进，而且也能够无止境地逆向回到过去， 或者大爆炸根本就是从无时间状态演变而来。这样一来，广义相对论的宇宙常数如果为正数，或者存在一种新颖奇特的能量场，再或者如果改进引力理论皆可能打破能量守恒定理。 还有另一种可能性，那就是重力在极短的距离内和物质密度极高的条件下不是吸引力，而是排斥力。

在第三类宇宙模型框架内，时间不是单向指向未来，而是一个封闭圆型循环圈，或者时间在大爆炸奇点中改变了方向。

为了进一步消除宇宙学中的种种不可思议的现象，有些学者认为大爆炸奇点并不是宇宙的起点，它仅仅是某些物理学家的想象而已。如果现行理论得以改进和补充，我们就能充分理解大爆炸的内在原因。为此，天文学家必须回答这些问题，大爆炸真实发生过吗？或者它仅仅人为想象出来的理论赝品？可能发展一种更完善的理论来代替它吗？

我们也可以这样认为，大爆炸时的弯曲奇点并不是宇宙的一个演变状态，不是一种物质形态，甚至不是大自然的一部分，它仅仅是物理理论的一个抽象概念，因此，奇点只是广义相对论适用范围终点的一种自我表述，在这一奇点上，即使广义相对论这样神奇的理论也无能为力。但这以结论对今后的天文学研究并不是灾难，而是一件好事，一种质量验证，因为不是每个物理理论都能象广义相对论这样明确地展现自己的适用边界。

既便象霍金和彭罗斯这样的奇点理论建筑师也并不满足于他们自己画下的条条框框。尽管他们在许多物理学方面观点大相径庭，但他们都认为奇点不是宇宙大爆炸和黑洞的最初起点或终极归宿, 更不是宇宙发展演变的最终判决书。他们还认为，奇点论本身自相矛盾，还必须通过新的理论模型加以完善。

为此，他们用各自不同的方式做出了种种努力。霍金假设宇宙起源于虚时间状态，而彭罗斯则提出了一种宇宙循环论，宇宙中的一切，包括黑洞，各种基本粒子以及时间本身，皆会渐渐变得虚无，消失于无形，最终进入新一轮大爆炸，如此循环，永不终结。

其他学者也构思了许多新颖奇妙的理论模型以完善大爆炸理论，其中之一就是现在渐渐流行起来的大反弹理论。在此理论的框架内，能量并不守恒 ，宇宙既没有一个绝对的起点，也没有永恒的过去，而仅仅起源于一个伪开端。于是，在宇宙大爆炸之前，并不存在时间，仅仅有毫无方向性的微观时间。随着开天辟地的大爆炸，不仅造就了浩瀚无际的物质生态，也衍生出方向永远指向未来的宏观时间。

还有一种特别激进的理论，它彻底放弃了我们所熟知的因果律。众所周知，我们生活的世界遵守因果关系，这是一切自然科学的基本前提，对于我们解释各种自然规律起到极为重要的作用。

诚然，在某些特定的条件下，由于我们的认知受到边界条件的限制和一些非可控因素的干扰，因果律会被淡化。另外，在微观世界，量子效应可能使得因果律彻底失效。但无论如何，我们确信，在量子宇宙学和量子引力理论的框架下还是存在确定的自然规律和表述，例如，宇宙大爆炸就是一种量子隧道效应或量子涨落。这样一来，宇宙大爆炸就是一次绝对偶然的事件，从而不需要我们作任何解释，自然而来，也不可能找到任何原因。

或者，大爆炸时因果律仍然有效，但它以循环往复的形式存于宇宙间。因此每一宇宙事件皆有其原因，而一系列事件相互联系成一环，彼此互为因果。这听起来有些荒唐，但某些物理学家却认为，这是广义相对论唯一确切的解。但这一因果循环理论究竟在多大程度上于现实相符合，或者它会被量子效应无可挽回地摧毁？我们目前还不能得出准确的结论。然而，确信无疑的是，我们可以用因果循环理论来弥补宇宙大爆炸理论的缺陷。这就是这一理论的魅力所在。

我们因此可以进一步猜测，宇宙初期仅仅存在一个微小的因果循环圈，既没有原因，也没有结果，严格地说，更没有起点，只有一微型自行循环宇宙。当这个奇特的自行循环圈破灭时，它就引燃宇宙大爆炸，并且射出了单向的线性时间箭头。整个时空绕一圈后又回到它的原始起点，形成一个既没有开端，也没有终点的封闭环。

到目前为止，解释宇宙大爆炸的起因以及大爆炸之前的物理演化状态的理论模型和猜想是五彩缤纷，不胜枚举。但我们还不能确定，在这些众多的理论模型和猜想中是否有一种会让我们步入柳岸花明又一村的境界，因为我们对宇宙的演化还缺乏足够的观察数据，还有许多天文现象有待我们继续探明。唯一确定的是， 我们目前还不能利用现有的知识和信息来拼凑出一块完整的宇宙演化图像。

也许只有通过量子引力理论才能让我们窥透宇宙演化之谜。为此，天文学家已经提出了许多富有前景的理论假设。科学发展史显示，当我们经过无数次艰难探索后仍然处于茫然之际，我们只要蓦然回首，真相也许就明了在那一瞬间。

参考资料：

1): 德文科学图片杂志2023年2月的文章<<时空边缘>> (Bild der Wissenschaft 2023 Februar: Am Rand der Raumzeit) ，作者: Von Rüdiger Vaas。

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