• 无论你在何处或无论你的运动是什么，對我们宇宙中任何观察者時間將按照他们自己的时钟以相同的速度流逝：每秒一秒。
• 然而，在大爆炸之前，有一段宇宙膨胀的时期：一個在那裏条件与它們在后大爆炸宇宙是非常不同的时期。
• 在那段时间里时间如何流逝：在宇宙大爆炸之前？为什么一些科学家如斯蒂芬霍金，声称宇宙大爆炸之前的时期是無時間的？在这里找到。

在我们的宇宙中遠回到我們能观測，时间总是以我们熟悉的同一時尚行爲：对所有观測者以相同的速度无情的滴答掉。把您的时钟带到地球表面？海底？进入太空轨道？靠近一個黑洞的事件地平綫？或者以接近光速穿過星际空间？这不要緊。它要常规事件來发生的时间的量，要一秒钟滴答過去，要原子跃迁來发生、一個特定波长的光子有一个“波” 从你身边经过等等——對任何觀測者在任何那些條件下都是要同一的。事实上，时间它們自己以每秒 1 秒流逝，是某些所有观察者都能同意的事情。

当然，相对论以很多方式是詭異的，无论当你接近光速时还是当空时的曲率非常強时。长度收缩，持续时间稀釋和不同的观察者從彼此对他們自己得出不同的结论。但时间仍在流逝，相对论允許我们來调和这些差异。但如果我们去一个不熟悉的地方會是什麽呢？如果我们考虑大爆炸之前发生的會怎樣呢？这就是賈斯丁想知道的，他问道：

   “你能帮我了解宇宙膨胀期间對时间什麽正在發生吗？我知道膨胀开始和然后大爆炸。但如果大爆炸之前的紀元是無時間的那個如何运作呢？”

这是一个極好的问题，一個迫使我们非常深入探究理论物理学领域的。让我们深入並看我们学到什么！

你首先不得不明白的是在物理学中，时间与我们通常构想的它不同。当你考虑时间时，你可能考慮它為一个连续体：为一条“线”对任何體驗它的总是以相同的速度向前推进。在你的日常生活中，你已經以类似的方式對它的整个持续时间体验了时间：它似乎以一种统一的、可测量的方式流逝，允許你來标记任何事件发生了的“时间”。过去已經发生的所有事件永远是不可变的;它们已经发生不能被變化。未来将发生的所有事件目前還沒有被确定;从现在直到當它们发生时的時間展開的行动和事件仍然能影响它们。

所有这些都是真的。嗯，是真實的就現實被顧及到從一個古典的角度这是一个很好的近似值。在我们所有的经典物理学理论中——包括狭义相对论和广义相对论——时间只是一个连续的参数，为所有体验它的以一種连续的方式向前推进。当然，有某些奇怪性：

• 如果你以光速移动，时间畢竟不为你流逝，
• 如果你比光速移动得更快，你变成一个超光速粒子并在時間中倒退旅行，
• 如果你在不同的位置，以不同的速度移动，或者體驗与另一个观察者不同的空时曲率，你和另一个观察者不会就多少时间已經过去不會达成一致，

但對每个人时间仍然存在。通过适当的应用相对论规则，我们能了解每个观察者将為他們自己测量的。

但在量子力学中，故事变化。时间不能再被仅仅被處理为一个经典上它做的方式 “滴答作响” 的参数。经典力学和量子力学之间的最大区别之一是它不仅有参数的值例如：、、，

• 位置（在空间中）
• 动量（包括方向）
• 角动量
• 或能量

这些经典的 “量” 成为量子物理学中的运算符。对象没有量子意义中定义明确的“属性”;这些属性只能被知道和测量出到一个固有的限制：一个由海森堡不确定性原理设定的极限。

您可能会考虑按位置和动量的不确定性：您测量一個粒子的位置越准确，它的动量是的就越不为人所知（反之亦然）。真的，这是真的，但这只是这些传统不确定性关系的一个例子。也有不确定性关系在以下之间：

• 取向和角动量
• 一個粒子在相互垂直方向中的自旋
• 电势和自由电荷
• 磁势和自由电流、

以及许多其他的。但如果位置-动量是量子不确定性的最著名例子，第二个最著名的例子不得不是能量和时间之间的例子。

如果您对量子物理学只了解一点点这可能困惑您。毕竟，位置和动量都是标准量子力学中的算子，能量也是。但与这些其他参数不同时间在薛定谔的量子力学中仍然只是一个獨立的變量，任何上过这门课的人都可能记得。然而，尽管如此，当我们创造一个短寿命的量子粒子例如一個顶夸克时，我们并没有发现所有床走的顶夸克都有相同的质量（或者，通过E = mc²相同的能量），而是在它们的静止质量中有不确定性，这与粒子本身的（不确定的）短寿命和海森堡的不确定性关系相称的。

但这并不是我们的量子方程中的一個缺陷;这是薛定谔量子力学仅适用到非相对论系统。当我们转向一個更完整的（相对论）量子力学理论时，时间确实真的被提升为一個算子，并且也在量子场论中仍然是一个算子。經典上，空间和时间是参数或量;从一個量子的角度它们都是运算符。无论发生的条件都是如此：在高能量或低能量下，在靠近或远离一個黑洞时，在宇宙晚期或非常早期起甚至接近大爆炸。这些空间和时间重的行为出現不改变，无论我们何时何地检查這個宇宙。

那么如此为什么你可能好奇有这么多人断言了在大爆炸之前没有“时间”呢？毕竟，如果你读过斯蒂芬·霍金的最后一本书《对重大问题的简要回答（Brief Answers to the Big Questions）》，你將发现他说了以下几句话：

“我相信到被时间在宇宙开始时起的角色是來消除对一個大设计师的需求并揭示這個宇宙如何创造了它自己是最终关键。…时间本身必须來到一個停止。你不能到达一個大爆炸之前的时间，因为在大爆炸之前没有时间。我们已經终于發現了某些没有一個原因的东西，因为时间没有一個來存在在内的原因”。

然而，当宇宙学家谈论大爆炸之前发生的时——即在大爆炸之前和設定宇宙的膨胀时期期間——时间仍然存在。如此为什么霍金会说陳述时间本身必须來到一個停止呢？为什么他会声称你不能到达大爆炸之前的一個時間？为什么他会陳述在大爆炸之前畢竟没有时间呢？

我仇恨这么说，但这是因为斯蒂芬霍金正在谈论關於我们傳統上理解的大爆炸：早期宇宙的热、致密、均匀充满物质和辐射、迅速膨胀的状态，我们与大爆炸的开始關聯。他也不是在谈论在热大爆炸之前和建立起热大爆炸的宇宙膨胀的状态。相反，霍金谈论的是一个非常古老的“大爆炸”的概念，这个概念目前在理论宇宙学中是一个非常激烈争论的话题（也是一个活跃的研究领域）：“大爆炸”意味着空间和时间本身的起源的想法。

这是某些如果你把你自己放在正在学习關於宇宙回到霍金正在学习宇宙的人的思维方式中的事情有意義的：在1950 年代、1960 年代和1970 年代。霍金（生于 1942 年）在与膨胀宇宙的观念長大他的前辈乔治·勒梅特、亚历山大·弗里德曼、乔治·加莫夫、拉尔夫·阿尔弗等人開發宇宙今天正在膨胀和冷却，这隱含它在遥远的过去更热、更密集。如果你任意向后推论到任意地高温、能量和密度，你將得到一个奇点，或者宇宙中所有的物质和辐射都被压缩成一个点的状态。

一个奇点的想法追溯囘到勒梅特和加莫夫，他们给它起了“原始原子”和“宇宙蛋”等诗意的名字。这是宇宙大爆炸的最初想法，当观测证据進來支持它（例如，宇宙微波背景）同时排除其他主流替代方案时，它似乎凝固在全世界的物理学家、天体物理学家和宇宙学家的脑海中这一图片。我们的宇宙始于大爆炸，而大爆炸本身是一個奇点的想法的代名词：一个创造事件，不仅誕生了一个炽热、致密、均匀充满的宇宙，而且标志着空间和时间本身的起源。

这在广义相对论中是真的：一個奇点真的确实定义一组时间和空间本身确实真的崩溃地方的条件。请记住，按照我们的物理学的最佳理解——物理学是空间和时间结构的广义相对论，以及我们体验為引力的，以及管理粒子、反粒子、电磁力和核力的量子场论——對如下是有限制的：

• 一個长度尺度能是多小
• 一個温度能是多大
• 一個时间尺度能是多短
• 一個能量的量子能是多高能，

如果你超过这些限制，你计算的量将不再有物理意义。

当霍金谈到“大爆炸”时他以这种过时的意义用它：假设這個宇宙确实真的从一个奇点开始，而这个奇点标志着空间和时间的诞生，因此有一个终极创造的“事件”创造了空间、时间以及它之内的所有物质和辐射。人能争辩这是可保衛的，因为推斷一个充满物质和辐射的宇宙囘到時間中确实真的导致一个奇点，而且因爲物理學的定律在广义相对论的背景下在一个奇点崩潰，空间和时间一定有一個诞生。毕竟如果没有空间没有“外面”，如果没有时间没有“之前”。

但在現在我们的宇宙起源的那個“图片”已经过时了40 多年。热大爆炸——或者宇宙被从一個早期的热、致密、近乎完美的均匀状态膨胀和冷却浮現——不再被考慮为是宇宙的开始，而只是作为它之前并建立它的早期时期的后果出现：一个宇宙膨胀的时期。膨胀是一种与热大爆炸沒有任何事情要做的非常不同的状态，因为它不是充满物质和辐射（或任何类型/种类的粒子），而仅仅充满了场能：對空的空間本身的織造固有的能量。

这创造非常不同的条件！当你的宇宙充满了物质和/或辐射时随着它的膨胀它的密度会降低。因为密度下降，在任何给定体积的空间中有更少的粒子，因此膨胀率（以及温度和每个粒子的平均能量）也下降。随着你推断到越来越早的时代，这些量也会上升;隨你推断到越来越晚的时代这些量下降。但当你的宇宙充满了场能或者對空间本身固有的一個量的能量时，膨胀率在所有時間仍然恆定的：随空间膨胀，能量密度仍然恆定，因此膨胀率仍然同一的。

这有显著的意义。对宇宙这意味着任何最初膨胀的区域都会被拉伸到巨大的尺度，用相同的屬性充滿空間任何地方，包括相同的温度和相同的能量密度。这意味着无论最初的空间曲率是多少，膨胀都确保它最终与平坦不可区别的，就像如果你将地球膨胀到今天大小的10＾100（googol） 倍地球出現平坦一樣。这意味着存在的任何粒子都会被稀释并從彼此“膨胀掉”，有效的清空宇宙。这意味着任何被創造的量子波動都会跨越宇宙尺度，用密度不完美播種宇宙。当膨胀结束时，热大爆炸开始，我们的宇宙以一種每个人都能理解和期望的方式进行，从弗里德曼和勒梅特朝向現在。

但在这个膨胀时期，密度和能量不随着时间向前下降，也不随着我们在時間中向后推断增加。我们的能量密度仍然恆定的事实意味着：

• 膨胀率仍然同樣
• 在一個给定体积空间中的场能仍然同一的（加上量子波動）
• 空间曲率与平坦（加上量子涨落）没有区别的被拉伸
• 并且膨胀以这种方式無情的不可區分的被拉伸，一個不确定的持续时间。

关于持续时间我们唯一能说的是它必须已經持续至少約10＾-32 秒，而且它不可能持续一個无限量的时间，因为一定有某种先於膨胀状态膨胀（由于关于空时的过去时间一樣的完整性的定理）。

這是故事相當结束的地方。你能争辩说“嗯，膨胀是無時間的在我们只能探测它的最后 約10＾-32 秒的意義上，但如果它持续一纳秒、一分钟、一年、一万亿年或10＾100年，我们應該仍然会有相同的宇宙”，但这并不能改变三个主要事实：

• 在膨胀期间时间仍然流逝
• 膨胀期是有限的，表明也在它之前有“时间”
• 而且我们有關於膨胀前状态的實際的約束，这意味着我们不知道膨胀从一個最终的奇點状态还是非奇點状态浮現。

尽管许多人仍然在有一个奇点從中空间和时间本身确实浮現了的假设下運作——因此，毕竟是一个“無時間的”初始状态——但畢竟真相是我们沒有來得到任何关于该状态的知识或信息的方法，或者就此而言，关于宇宙膨胀的最后約10＾-32 秒之前存在的任何状态。（毕竟就其本质膨胀会从当前可观测的宇宙掃走任何此类信息）。在热大爆炸期间和之后时间照常进行，但在膨胀期间也進行，以及在膨胀凡是之前的任何时期的。在這個是可能的之前是否有一個“無時間”状态是可能的，有些人甚至会争论可能的，但这仍然没被证实。

时间本身的可能浮現是自然來考慮的一个有趣方面，但我们必须负责任的做它：充分知道甚至非常聪明的人谈论一個“無時間”状态时，他们不是正在谈论膨胀;他们正在谈论關於空间和时间本身的创造/浮現。这可能确实已經发生了，但如果真的发生了，那不仅仅是在大爆炸之前。这是在热爆炸之前，在膨胀之前，甚至在那之前凡是它是的的之前。只有那時我们有可能走回到空间和时间本身浮現的状态的可能性，允許宇宙畢竟存在。

发送您的 問愛善（Ask Ethan） 问题到 startswithabang at gmail dot com!