物理

時間有沒有起點?

大霹靂,真的是時間的開端嗎?

撰文/維納齊亞諾(Gabriele Veneziano)
翻譯/林世昀

物理

時間有沒有起點?

大霹靂,真的是時間的開端嗎?

撰文/維納齊亞諾(Gabriele Veneziano)
翻譯/林世昀

大霹靂,真的是時間的開端嗎?還是說,大霹靂之前,宇宙就已經存在了呢?僅僅在10年前,問這類問題,還幾乎是一種褻瀆。大部份宇宙學家堅稱,這種問題根本毫無意義;去思索大霹靂之前的時間,就和問「比北極更北的地方在哪裡?」是一樣的意思。不過,理論物理的發展,特別是弦論的興起,已經改變了他們的觀點。前霹靂宇宙(pre-bang universe)已然成為宇宙學的最新趨勢。

這股探討大霹靂之前的新思潮,其實只是幾千年來左右搖晃的理性鐘擺,最近一次的擺盪而已。幾乎在每個文化中,太初這個議題,都會以各種面貌讓哲學家與神學家忙個沒完。它所關懷的問題令人應接不暇,其中最有名的一個,就展現在高更1897年的名畫中:「我們從何處來?我們是什麼?我們往何處去?」這個作品描繪生老病死的循環:每個人的起源、身份與宿命;而這份對個人的關懷,直接連繫著宇宙的命運。我們能夠追溯自身的血統,穿越世世代代,回到我們的動物祖先,溯及生命的早期形式以及初始生命,再回溯到原生宇宙中合成的元素,再到更早之前就飄浮在空間中的縹緲能量。我們的系譜樹是否可以往回無窮延伸?還是它的根會終止在某處?宇宙是不是和我們一樣,並非永恆的?


古希臘人曾就時間的起源有過激烈的爭論。亞里斯多德主張無不能生有,而站在時間「沒有開端」的陣營。如果宇宙不曾無中生有,那麼它過去必然是一直存在。基於這些道理,時間必定是朝向過去和未來兩頭無限延伸。基督教神學家則傾向於相反的觀點。奧古斯丁堅決主張,神存在於空間與時間之外,並且祂創造了時空和整個世界。當我們問道:「神在創造這個世界之前在做什麼?」奧古斯丁回答說:「時間本身就是神創造的一部份,所以根本就沒有之前可言!」


愛因斯坦的廣義相對論,把現代的宇宙學家帶往幾乎一模一樣的結論。這個理論認為,時間與空間是柔軟可塑的實體。在大尺度上,空間本質上是動態的,會隨時間而膨脹或收縮;它承載物質的方式,就像海浪承載浮木一樣。天文學家在1920年代,確定了我們的宇宙目前在膨脹:遙遠的星系彼正此互相遠離。由此推論,時間是無法往回無窮延伸的,而這正是物理學家霍金(Stephen Hawking)與彭若斯(Roger Penrose)在1960年代所證明的。因為當你把宇宙歷史往回倒帶,所有星系終會擠到一個無限小的點,稱做奇異點(singularity),這就和它們掉進黑洞的意思差不多。每個星系或其前身,被壓擠到大小為零的程度,而如密度、溫度與時空曲率等等的物理量,則變成了無限大。奇異點就是萬物的起點,超過那個界限,我們的宇宙系譜就無法再往前延伸了。


宇宙各處竟是同個樣子?


無可避免的奇異點,對宇宙學家造成了嚴重的問題。特別是當我們把宇宙在大尺度下所展現出高度的均勻性與各向同性,拿來和奇異點擺在一起,就更令人不安。由於宇宙在大尺度上到處都相同,因此在相距甚遠的區域間,必定以某種方式傳遞訊息,好協調彼此的性質。可是這和舊的宇宙學典範相牴觸。


為了明確起見,不妨試想從宇宙微波背景輻射釋放後,這137億年來所發生的事情:星系之間的距離成長了1000倍(由於宇宙膨脹的關係),而可觀測宇宙的半徑,卻成長了10萬倍之多(因為光速比宇宙膨脹速度更快)。我們今天看到的宇宙,有許多部份是我們在137億年前所看不到的。的確,在宇宙歷史上,現在那些來自最遙遠星系的光,還是第一次光臨本銀河。


儘管如此,本銀河和那些遙遠星系的性質,基本上居然是相同的。這就像是你出席一場聚會,只為了在10個你最好的朋友中,找出和你穿得一模一樣的人。如果只有兩個人有相同的穿著,那麼用巧合就可以解釋得過去。可是如果衣著相同的人數多達10人,這表示參加聚會的人,八成事先就約好了。而在宇宙學中,這個數字不是10個,是幾萬個─這是全天域微波背景中的區塊數目,它們彼此無關,但統計上卻完全等同。 當然總有一種可能是,所有那些空間的區域在誕生時,便被賦予完全相同的性質;也就是說,均勻性只不過是個巧合罷了。不過物理學家已經想出兩種更自然的方式來擺脫僵局:讓早期宇宙比標準宇宙學中的宇宙小得多,要不然便老得多。任一條件(或是兩者一起)都能讓居間的聯繫成為可能。