宇宙誕生大邏輯（科學）

06-15

周掌柜點評：宇宙的誕生，以及宇宙學的大邏輯是我個人經常會思考的，看起來來很遠，不過經常從宇宙學中洞察到的是一種人類社會基本的原始法則。比如，我一直認為時間是線性鋪設的，所以戰略規劃是可以「夢想成真」的。時間也可能有聯動的閉環，所以今天做任何彌補的事情都不晚；而且「意念」可能具備宇宙級的引爆力，我們可以適時放棄唯物論的羈絆。總之，研究戰略需要思考這樣「務虛」的話題，本文值得一讀。（周掌柜讀者微信號：zhouzhanggui000，北京周掌柜管理諮詢有限公司總裁，中國商業「戰略思想」諮詢開創者，多家全球知名公司顧問，專註於研究華為成長史和任正非管理哲學。）

出處：本文原載《三聯生活周刊》

在廣義相對論出現之後誕生了宇宙學，人類第一次能夠通過科學手段來研究宇宙誕生和發展的過程。隨著人類對宇宙觀測的深入，一個動態的宇宙模型取代了傳統的靜態宇宙模型——近年來宇宙學研究最主要也最令人驚奇的一個發現，就是宇宙正在加速膨脹，對這個發現做出重要貢獻的科學家薩爾·波爾馬特（SaulPerlmutter）、布萊恩·施密特（BrianP.Schmidt）和亞當·里斯因此獲得了2011年諾貝爾物理學獎。但是一個膨脹的宇宙帶給了人們更多困惑，這意味著宇宙會有一個開端，也意味著宇宙有年齡。

現代宇宙學理論認為，宇宙誕生於大約137億年前的一次宇宙大爆炸，在宇宙誕生的10-36秒之後，嬰兒時期的宇宙經歷了一次急劇膨脹，在10-33秒的時間裡，宇宙的體積膨脹了1078倍，這次急劇膨脹也形成了我們現在居住的宇宙的基本架構，這個過程被稱為宇宙暴漲。

2011年諾貝爾物理學獎獲得者薩爾·波爾馬特

儘管宇宙暴漲理論最初並不被人信服，但是在20世紀80年代，這個理論解決了宇宙學兩個重大疑問：為什麼我們的宇宙空間幾乎是平直的（曲率非常小）？為什麼宇宙空間中遙遠的各處看上去相互關聯？這使宇宙暴漲理論獲得了許多支持者。隨後，支持這個理論最有力的證據——宇宙背景輻射被發現，這是在137億年前宇宙暴漲時留在空間內的迴響，這個證據使得暴漲理論成為被宇宙學家們普遍接受的科學理論。

疑問與矛盾依然存在。如果初生宇宙經歷過一次從極小到極大的暴漲，那麼，宇宙在誕生之後、暴漲之前，又發生了什麼？如果把宇宙正在加速膨脹的過程回溯，時間反演，我們就會看到宇宙逐步收縮，最後回到了一個極小的原點，也就是宇宙誕生的那一刻。在宇宙暴漲之前，還在嬰兒時期的宇宙處於一種密度和溫度都極高的狀態，這是一種極為特殊的狀態，物理定律在這種狀態下也不再成立，因此，人們現在無法了解在宇宙誕生之後、暴漲之前這段時間所發生的一切。

宇宙從剛剛誕生到一普朗克秒（10-43秒被稱為1普朗克秒，這個時間被認為是宇宙中最小的時間單位）之間的這個特殊時期，被稱之為「普朗克時代」。宇宙學家們希望可以了解宇宙在誕生之後的每一個細節，他們對於在普朗克時代宇宙狀態的模糊不清無法滿意。宇宙為什麼會忽然發生暴漲？在暴漲之前一定還有其他的過程，但是宇宙學家們至今仍然沒有足夠有力的理論武器來解決這個問題。

根據宇宙大爆炸理論，宇宙誕生於一個奇點，而誕生初期的宇宙也只存在於一個極小的範圍內，它的整個長度甚至小於普朗克長度（普朗克長度大約只有1.6×10-35米，遠遠小於現在的基本粒子，根據現代物理學理論，普朗克尺度是宇宙中最小的長度單位），如何處理比普朗克長度更小的尺度上的問題，現代物理學無能為力。

在極小的範圍內，人類現實生活中常常被忽略的引力會變得與其他三種相互作用的強度相類似。因此，研究在普朗克長度的尺度之下的物理學，科學家們不光需要利用描述物質在微觀狀態下行為的量子力學，也需要通過幾何語言來描述引力的廣義相對論——要想深入理解宇宙的誕生過程，最終需要量子力學和廣義相對論的結合。

對於量子力學與廣義相對論結合的研究，正是現代物理學研究的最前沿。目前，在這個領域有兩個主要的分支：弦理論和圈量子引力理論。目前最為流行的是弦理論，弦理論學家們一直致力於發展出一個物理學的大統一理論，用來解釋一切物理學現象。相對而言，在20世紀80年代才逐步發展起來的圈量子引力理論還不夠完善，研究者也比較少（做一個粗略的數字比較，有452人參加2007國際弦理論會議，156人參加2007國際圈量子引力會議）。

弦理論的藍圖更加廣闊，目前的發展也更為迅速，但是弦理論本身是建立在一個假設之上，即我們生活的宇宙是由11個維度的時空所構成，除了時間維度和三個空間維度之外，其他的維度都微小而捲曲，通常不被察覺。目前沒有任何實驗可以驗證（也無法否定）這個令人驚奇的假設，因此弦理論至今也只能作為一個漂亮的數學模型而不是被物理學家們普遍接受的物理理論。圈量子引力理論相對現實，它希望可以結合量子力學和廣義相對論，首先統一這兩個基礎物理學的支柱理論。圈量子引力理論得出的結論同樣令人驚奇：它描述了引力的量子化特性，同時，就像是物質和能量的量子化一樣，時空本身也是量子化的，時空是一種在極小尺度下的「編織物」，被稱為「自旋泡沫」。

2011年諾貝爾物理學獎獲得者布萊恩·施密特

弦理論與圈量子引力這兩種理論仍然在發展中，「勝負」尚難預料，科學家們還不知道未來物理學的基礎理論將是什麼面目，但是如果把前沿的物理學假說運用到宇宙學中，卻可以給宇宙學家們一些另類的啟示。德國物理學家馬丁·德約沃爾德（MartinDojowald）首先把圈量子引力理論運用到宇宙學中，隨後，在其他圈量子引力學家的努力下，發展出了圈量子宇宙學，它得出了不同於傳統宇宙學觀點的結論。根據圈量子引力理論的推導，引力作用在極小的距離上會發生變化而轉變為斥力。這種斥力可以避免奇點的存在，宇宙不再是誕生於一個密度無限大的奇點中——物理學只能夠處理有限的情況，物理學家們對於無限條件下的奇點無能為力，圈量子宇宙學把物理學家們從無限的尷尬中解脫了出來。

不存在宇宙大爆炸的奇點，也就是說，並不存在「宇宙大爆炸」，替代這個概念的則是「宇宙大反彈」——圈量子宇宙學家們認為，宇宙在某種條件下開始收縮，收縮到極小的普朗克長度以下後，引力轉化為斥力，這個微小的宇宙開始大反彈，進而出現了宇宙暴漲。圈量子宇宙學描述了普朗克長度以下宇宙的狀態，並且把初生時期的宇宙狀態和宇宙暴漲理論結合到了一起。與之類似，宇宙中由坍塌的恆星所形成的黑洞也不再是由密度無限大的奇點所構成，通過圈量子宇宙學，宇宙學家們可以計算出黑洞的熵值。

還在發展中的理論總會給人們帶來希望，但是人類目前仍然無法通過實驗來驗證弦理論或是圈量子引力理論提出的各種假說。2011年12月，法國科學家奧雷利安·巴洛（AurélienBarrau）和他的同事在《物理評論快報》（PhysicalReviewLetters）雜誌上發表論文《通過黑洞蒸發探索圈量子引力》（ProbingLoopQuantumGravitywithEvaporatingBlackHoles），探討通過實驗驗證圈量子引力理論的可能性。圈量子引力理論對於黑洞蒸發輻射的預測與現在物理學家們普遍認同的霍金輻射有所不同，因此，只要人們可以通過實驗測量黑洞的輻射情況，就可以驗證圈量子引力理論正確與否。但是這個實驗計劃在很長一段時間內也只能存在於理論中，因為以人類目前的科技水平，還遠不能去實地探測黑洞的輻射。

我們的宇宙究竟誕生於一次「大爆炸」，還是一次「大反彈」，這將是宇宙學家們長久研究和爭論下去的話題。