大爆炸的秘密和不可解决的“第一原因”问题

“第一原因”问题可能永远仍然不被解决的，因为它不适合我们做科学的方式。

SPECIAL COLLECTION

The Universe. A History.

13.8 — APRIL 5, 2024

Marcelo Gleiser

Credit: Ben Gibson / Big Think / Adobe Stock

关键要点

乞求来理解宇宙的起源已经从神话般的叙述到被爱因斯坦的相对论和它对理解宇宙的结构和膨胀的影响激发的现代宇宙学的定量洞察。

关键发现诸如通过哈勃望远镜的观测膨胀的宇宙和大爆炸理论的预测成功已经奠定了我们的在可观测现象中的宇宙理解，揭示一个从前更热、更致密、更均匀的宇宙。

尽管重大的进展，但宇宙的开端的最早时刻和根本原因仍然被笼罩在秘密中——也许永远如此。

如果整个人类历史跨所有文化有一个问题一直存在那就是所有东西的起源的问题。为什么有一个宇宙？我们怎样来存在于它中能够来问这个问题？跨几千年不同的文化提供了神话般的叙事来面对存在的秘密。但随着现代科学的发展，焦点已经转移到一种更定量的方法——宇宙起源和历史的一个科学的叙述，现代宇宙学的焦点。

这一切始于1915年当阿尔伯特·爱因斯坦提出了他的新的引力理论广义相对论时。爱因斯坦的辉煌创新是不像牛顿做的将引力视为在一个距离上作用的力来对待引力，而视为由于质量的存在空间的曲率。这样按照爱因斯坦，天体的轨道运动被它们周围环境的空间曲率造成。一种可视化这个的方法是在一个床垫上扔弹珠。如果没有重量弯曲床垫，弹珠将沿着直线移动。但如果你在床垫上放一个沉重的铅球，附近滚动的弹珠将跟踪弯曲的路径。如果你练习投球，你能让弹珠绕着铅球转圈，有点像环绕太阳的行星。爱因斯坦的理论允许物理学家来计算围绕一个天体弯曲的空间的几何形状。他通过展示水星的轨道如何绕太阳摆动（水星的远日点的进动）和计算星光随它靠近太阳旅行多被弯曲来证明他的理论的实在性。

在他发动他的新理论两年后，爱因斯坦迈出了大胆的一步，从太阳系应用到整个宇宙。他弄清了随宇宙被内部物质弯曲他可以求解这个方程来估计宇宙的几何形状。为做到这一点，他做出了三个简化的假设：宇宙是球形的，它是静态的，物质在空间中被到处平均均匀分布（后一个假设变成著名的“宇宙学原理”）。令他惊讶的是他想象的宇宙不是稳定的：稍微扰动它一点整个东西由于它自身的引力坍塌成一个点。失望的但没有被击败，爱因斯坦对他的方程添加了一个额外的项来起对引力的吸引力的反平衡的作用：所谓的“宇宙学常数”。调整它的值，爱因斯坦设法发现了他的静态球面解。因此现代宇宙学被诞生。

爱因斯坦的开创性工作激励了许多理论物理学家来建立他们自己的桌面宇宙——改变了他的假设来看会发生什么的数学模型。1917年也就是爱因斯坦模型的同一年，荷兰人威廉·德·西特用宇宙学常数求解了一个空的宇宙（一个毕竟没有物质的宇宙）的方程。毫不惊奇，他的解决方案描述了一个在那里两个点将以指数方式彼此移动离开的空间。1922年俄罗斯人亚历山大·弗里德曼放弃了爱因斯坦的一个静态宇宙的假设，并发现了一个会随时间增长的宇宙的解决方案，这让他很高兴。它增长的多快依靠宇宙学常数的值和填充所有空间的物质的类型。

虽然当时理论家们正在想象不同的桌面宇宙，但美国天文学家埃德温·哈伯将100英寸的望远镜指向威尔逊山来确定银河系是否是宇宙中唯一的星系，或者是否在那里有许多星系——遍布太空的“岛屿宇宙”。在100年前的1924年这一年他击中了解决方案：银河系只是在那里数十亿个星系中的一个。宇宙突然的变得巨大，超出我们人类可以沉思的。五年后，哈勃投下了真正的炸弹：在宇宙中不仅有无数的星系，而且绝大多数星系都正在从彼此移动远离开。哈勃得出宇宙正在膨胀的结论。这一惊人的发现改变了一切。如果宇宙的体积正在增长，星系正在移动分开，这意味着在过去它们更紧密在一起。使用一些粗略的近似值，哈勃估计了大约回去20亿年，星系都会被挤压成一个非常小的体积。这将代表宇宙历史的开始。原来是宇宙在过去的某个遥远的点上有过一个开始。

大爆炸模型

20世纪40年代末，俄罗斯裔美国物理学家乔治·加莫与拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫尔曼一起工作来弄清楚一个膨胀的宇宙的故事可能是什么。本质点是如果宇宙现在正在膨胀，那么在过去它是更小、更热、更致密的。在星系、恒星和行星存在之前，物质被冲碎并分解成它的最基本的成分。将原子物理学和核物理学混合，三人得出了一些令人震惊的结论。首先是一个起源于一个高温致密状态的宇宙现在应该被充满有微波辐射，这是来自重组时代的一个遗迹，当时氢原子随质子和电子结合第一次被形成，从而释放光子自由的穿越宇宙。以现代数字计算，这发生在宇宙大爆炸后约38万年，这一事件标志着时间的开始，记着宇宙的膨胀的时间。1965年，由加莫与拉尔夫和赫尔曼预测的辐射被为新泽西州贝尔实验室工作的两位射电天文学家罗伯特威尔森和彭奇亚兹（Robert Wilson和Arnold Penzias）发现。

来自加莫、拉尔夫和赫尔曼的第二个预测是甚至走回更远时间中，宇宙将是如此的热和稠密以至于质子和中子将自由漫游，不能够来结合形成第一个原子核。正如史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）的经典著作《最初的三分钟（The First Three Minutes）》中所述的一样，最轻原子核的合成——或原始核合成——发生在当宇宙大约是1秒到三分钟老时，随质子和中子结合来形成分别附着有一个和两个中子的质子的氢的同位素的氘和氚，还有氦-4（两个质子和两个中子）及它的同位素氦-3（两个质子和一个中子），最后是锂-7（三个质子和四个中子）。将核物理与一个膨胀和冷却的宇宙的热力学结合来估计这些元素的丰度并将它们与观测结果比较是可能的的规则。这种一致是宇宙大爆炸模型的又一大成功。到了20世纪60年代末，毫无疑问，有一个开始又热又密有分解成它的最简单成分的物质的宇宙的叙述正确的描述了宇宙的幼年期。当时每个人思维中的问题是：关于更早期的呢？物理学能获得离时间开始多更近呢？这就是事情开始变得更令人兴奋又更模糊的地方。

朝向时间的开始

随我们试图将我们的理论到达推到更早的时候，我们在能量中从原子和核物理移动上升到粒子物理学。毕竟，你越早观察宇宙，它就越热、越密，因此填充空间的粒子有过更高的能量。这样来深入探究宇宙的婴儿期，物理学家必须用来自高能物理学的概念，要超越实验结果。有了一些信心，我们可以将时钟推回到爆炸后的十万分之一秒，那时宇宙有过与质子和中子分解成夸克胶子等离子体时可比较的能量，在过去二十年左右的时间里已经对等离子体这种物质状态有巨大成功的研究，但也有一些严重的概念限制。尽管如此，我们有充分的理由来相信，这种状态实际上存在于早期宇宙中，呈现一堵在这堵墙后物质被离解成它的最简单已知成分的墙。也就是说在这之前，我们真的能谈论一个充满空间的基本粒子的原始汤。

2012年希格斯玻色子的壮观发现证实了我们可以在同一框架下研究不同的自然力。我们知道四种基本力：引力、电磁力和强弱核力。后两种力只在亚核距离上活动，解释了为什么我们在日常生活中不熟悉它们。希格斯粒子的发现证实了的是电磁力和弱力在非常高的能量下往往以相似的方式行为，在我们的目前实验能探测到的极限上。如果我们将这些能量映射到早期宇宙，我们正在谈论的是爆炸后的万亿分之一秒即10^-12秒。我们到底不理解粒子在这些能量下如何相互作用，但我们确实了解总结在粒子物理标准模型中表明整个宇宙经历了一种相过渡。这种过渡类似于冷却液态水结晶成冰的过程，打破流体的均匀对称性——在那里分子被均匀分散——形成一个刚性有序的晶格。同样，我们说宇宙在大约这个早期经历了一个相过渡当时“电弱”力分裂为电磁力和弱力。细节是缺失的，但这是整体图片。

在这个关节上，宇宙学击中一个概念障碍，因为它需要在时间中不用实验指导导航回去。尽管跨全球几十年的努力，但我们还没有从早期宇宙收集到任何可以指导我们的信息。当然，解决方案是推断的并提出因不同原因而引人注目的早期宇宙的模型。例如，它们可以提供解释大爆炸模型目前面临的挑战，就像在膨胀的模型中的一样；它们可能为非常高能物理学的研究开辟新的途径就像量子引力理论中一样；或者，它们可能会激发新方向中的实验工作——例如在搜索暗物质和原始引力波。

膨胀模型是在20世纪80年代初提出的，作为对困扰标准大爆炸模型的几个问题的潜在解决方案。例如，观测告诉我们空间的几何形状几乎是平的，我们不知道为什么。我们也不知道为什么上述微波背景的温度是如此均质的，达到十万分之一。我们也不知道需要来形成星系和大型宇宙结构的物质如何聚集的。不知怎的，物质聚集在不同的地方并吸引了更多的物质。膨胀最初是由麻省理工学院的阿兰古寺提出来面对这些问题。为了做到这一点，它诉诸一种类似希格斯粒子的场假定的是描述非常早期宇宙的物理学的某种未知粒子物理模型的一部分。就像希格斯场以10^-12秒驱动了电磁力和弱力之间的分裂一样，“膨胀的场”在10^-35秒驱动非常早期宇宙的动力学。这是进入未知的许多的零。

古寺的模型以及自他开创性工作以来提出的许多替代方案都依赖于这种外推，假设一个原始场造成了宇宙在很短的时间内呈指数级快速膨胀。随场失去能量，它会松弛到最低能量状态并衰变为大量有爆炸效果的粒子，造成一个宇宙的超快加热。一些宇宙学家称之为真正的宇宙大爆炸，尽管这是一个品味问题。这里的挑战之一是来揭示宇宙的一个更早的历史，这实际上决定这种假设的膨胀是什么样的场以及它来自哪里。尽管宇宙膨胀令人信服，但除了与目前的观测结果一致外，我们真的既要么没有一个可信的模型要么没有任何它真的发生了的证据。少数模型很好地描述了我们所看到的宇宙（平坦、均匀、皱缩），但我们仍然需要一个母理论来赋予它更基本的实在性。这个理论可能需要甚至更大胆的推断。

即便我们假设我们能在时间中甚至进一步推回我们的模型，我们很快就会击中一个巨大的概念障碍。随我们接近我们仍然能有意义的最高能量，宇宙可能需要一种被描述的不同方式，借用来自量子物理学的：非常小的的物理学。重点是在量子世界里一切都是紧张不安的一切都在波动。如果我们将这一概念纳入引力的力及它的与空间和时间的关系中，我们需要来考虑这样一种可能性，即在很早的时候没有我们知道它们的时间和空间而是某种模糊的量子泡沫，在那里空间和时间以不同的方式在这里和那里冒泡（尽管“这里”和“那里”变成了非常模糊的想法）。不幸的是，我们目前在弦理论和环量子引力理论中描述这种量子空时泡沫的尝试已经仅是部分成功或毕竟不成功的，至少为宇宙的起源提供一个令人信服的场景。当到所有东西的起源问题时我们似乎根本上被粘住。

第一原因的问题

一旦我们关注哲学史和科学的本质这是不足为奇的。宇宙的起源推动我们能理解的边界。简单地说，大多数科学都基于两件事：客观性和因果性。客观性要求一个观察者和正在被观察的事物之间一个明确的隔开。因果关系假定一种时间中的顺序自此一个效果被一个原因提前。正如我在最近与同事亚当·弗兰克和埃文·汤普森合著的一本书中指出的那样，宇宙的起源把因果关系和客观性都带到一个停止。它以一种与量子物理学截然不同的方式做到这个，其中这两种原理也都被挑战。量子力学模糊了观察者和被观察者之间的分离，并用概率推理代替确定性进化。然而，这仍然是一个因果理论，因为一个电子会被一种众所周知的动力学原因统治（例如，薛定谔方程中的库仑势）响应电磁力。有一些已知的会引起特定的动力学行为的力在起作用。

但当到宇宙的起源时，我们不知道是什么力在起作用。我们实际上不能知道，因为要知道这样的力（或者更好地说这样的场及其相互作用），就需要知道宇宙的初始状态。我们怎样可能以某种没有争议的方式从这样一个状态收集信息？用更平淡无奇的话来说，这会意味着我们可以知道宇宙随它成存在的样子。这将需要一个宇宙的初始状态的上帝的眼睛的观望，一种我们和即将成为我们生活的宇宙的原始宇宙之间的客观分离。这意味着我们有一个宇宙中的所有物理力的完整了解，一种一切的最终理论。但是，我们怎么从来能知道我们叫一切的理论是一个对所有存在事物的完整描述呢？我们不能，因为这会假设我们知道所有的物理现实，这是一个不可能性。总有另一种自然的力潜伏在我们无知的阴影中。

在宇宙的起源，原因和客观性的非常概念被纠缠成一个单独的不可知的，因为我们不可能知道宇宙的初始状态。当然，我们能构建模型并相对我们能测量宇宙的测试它们。但一致性并不是一个确定性的标准。不同的模型可能会导致相同的一致性——我们所看到的宇宙——但我们区分它们之间，因为它们来自一个未知的初始状态。第一原因——一定是无原因的并释放了所有其他原因的原因——位于超出我们所知的科学方法论的范围。这并不意味着我们必须诉诸超自然原因来填补我们无知的空白。一个超自然的原因不能以科学理论做的那样解释；超自然的神的干预是基于信仰而不是数据。这是一个个人的选择，而不是科学的选择。它只会帮助那些相信的人。

尽管如此，通过一系列壮观的科学发现，我们已经一起拼凑了一部细节精致、复杂的宇宙历史。在我们的知识中仍有许多空白，我们不应该期望另外的。在接下来的几十年里，我们将在理解我们这个时代许多悬而未决的宇宙学问题中看到做出巨大进展，例如暗物质和暗能量的性质，以及引力波是否能告诉我们更多关于原始膨胀的。但第一原因的问题将仍然开放的，因为它不适合我们做科学的方式。正如爱因斯坦明智地指出的那样，这一事实必须“用一种谦逊的感觉充满一个有思想的人”。并不是所有的问题需要被有意义的回答。

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