時間有起始點嗎？

　　大爆炸真的是時間的起點嗎？抑或宇宙在大爆炸之前就已經存在？如果在10年前提出這樣的問題，那簡直是對宇宙學大逆不道了；絕大多數宇宙學家會認為，思考大爆炸以前的時間，就像打聽北極以北的地方在哪里一樣。然而，理論物理學的發展，尤其是弦論的出現，大大改變了宇宙學家的視角，大爆炸前的宇宙已成了宇宙學的研究前沿。

　　探索大爆炸之前發生過什么的新思潮，其實只是數千年來的理性鐘擺的最新一次擺動。幾乎在每一種文明中，終極起源的問題都會讓哲學家和神學家忙個沒完沒了。它所關懷的問題讓人應接不暇，其中著名的一個出現在PaulGaugin（高更）1897年的名畫中：“我們從哪里來？我們是什么？我們往哪里去？”這幅作品描繪了生老病死的輪回：每個人的起源、身份與宿命，而這份對個人的關懷，直接連系著宇宙的命運。人類可以尋根，追溯自身的血統，穿越世世代代，回到我們的動物祖先，再溯及生命的早期形式和初始生命，然后回到原生宇宙中合成的元素，再到更早期空間中的飄渺能量。我們的譜系樹是否可以這樣一直無休止地延伸下去呢？抑或它會終止于某處？宇宙是否也像人類一樣，并非永恒的？

　　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”，而站在了時間“沒有起點”的陣營。如果宇宙不能“無中生有”，那它過去必然是一直存在的。基于這些理論，時間必定是朝著過去和未來兩端無限延伸。而基督教神學家則傾向于相反的觀點。奧古斯丁堅決主張，神存在于空間和時間之外，而且創造了時空和整個世界。有人問道：“神在創造這個世界之前在做什么？”奧古斯丁答道：“時間本身就是神創造的產物之一，所以根本就沒有‘之前’可言！”

　　愛因斯坦的廣義相對論，引導當代宇宙學家得出了幾乎一樣的結論。廣義相對論認為，空間和時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，就像海浪承載浮物一樣。1920年代，天文學家觀測到遙遠的星系正在彼此遠離，從而證實宇宙正在膨脹。接著，物理學家StephenHawking（霍金）與RogerPenrose（彭若斯）在1960年代證明，時間不可能一直回溯下去。如果你把宇宙歷史一直往回倒退，所有的星系終會擠到一個無窮小的點（稱為即奇點）上，這與它們掉進黑洞的意思差不多。每個星系或其前身都被壓縮到零尺寸，而密度、溫度和時空曲率等物理量則變成無窮大。奇點就是宇宙萬物的起點，超過這一界限，我們的宇宙譜系樹就無法再往前延伸了。

　　宇宙是均勻的？

　　這個無法避免的奇點，給宇宙學家帶來了令人不安的嚴重問題。特別是，奇點與宇宙在大尺度上所展示的高度均勻性及各向同性似乎有矛盾。由于宇宙在大尺度上到處都相同，因此在相距遙遠的區域之間，必以某種方式傳遞信息，以協調彼此的性質。然而，這與舊的宇宙學規范相抵觸。

　　具體來說，不妨想一下從宇宙微波背景輻射釋放后，這137億年來發生的事情：由于宇宙的膨脹，星系間距離增大了1000倍，而可觀測宇宙的半徑，則增大了10萬倍之多（由于光速超過宇宙膨脹速度）。我們今天看到的宇宙，有很大一部分是我們在137億年所看不到的。的確，在宇宙歷史上，現在那些來自最遙遠星系的光，還是第一次到達銀河系。

　　盡管如此，銀河系與那些遙遠星系的性質，竟然基本上是一樣的。這就好比你參加一個聚會，發現自己穿的衣服與十多位好友的一模一樣。如果只有兩人衣著相同，用巧合還可以解釋得過去。可是如果十幾個人衣著都相同，那八成是他們事先約好了。在宇宙學中，這個數字不是十幾個，而是數萬個——這是全天域微波背景中的天區數量，它們彼此獨立，但統計上卻完全等同。

　　一種可能性是，這些空間區域誕生伊始便被賦予了相同的性質，換言之，均勻性只不過是個巧合。然而，物理學家想出了兩種更自然的途徑來擺脫僵局：讓早期宇宙要么比標準宇宙小得多，要么老得多。任一條件（或者兩者一起），都有可能實現各個空間區域之間的相互聯系。

　　當前最流行的是第一種途徑。假設宇宙在早期歷史中曾經歷一次快速膨脹，稱為暴脹。在暴脹之前，星系或其前身全都緊密地擠在一起，因此可以容易地協調它們的性質。在暴脹階段，由于光速趕不上暴脹的速度，它們便彼此失去了聯系。暴脹結束后，膨脹速度開始放慢，因此各星系間又逐漸恢復了聯系。

　　物理學家將暴脹所迸出的能量，歸因于大爆炸之后約10*-35秒一個新的量子場“暴脹子”中所儲存的勢能。勢能與靜質能和動能不同，它可以產生引力排斥效應。通常的物質引力會減慢宇宙膨脹，但暴脹子卻會加速宇宙膨脹。暴脹理論于1981年問世，至今已經解釋了眾多的精確觀測結果[參見本刊1984年第9期AlanH?Guth與PaulJ?Steinhardt所著《爆脹宇宙》和2004年第4期的專題報道《打開宇宙的四把鑰匙》]。不過，還有一系列潛在的理論問題沒有解決，首當其沖的是，暴脹場子究竟是什么？以及如此巨大的初始勢能從何而來？

　　第二種途徑較不為人所知，那就是避開奇點。如果時間不是始于大爆炸，如果在目前的膨脹開始之前，宇宙就已經存在很長一段時間了，那么物質就有充裕的時間把自己的分布安排得比較平滑。因此研究人員已開始重新檢視導出奇點的推導過程。

　　推導過程中假設相對論始終有效，看來是大有問題的。在接近一般認定的奇點時，量子效應必定越來越重要，甚至起到主導的作用。正統的相對論沒有考慮到這類效應，因此，認定奇點不可避免，無疑是過份相信了相對論。要弄清真正發生的情況，物理學家必須把相對論納入到量子引力理論中。這個任務讓愛因斯坦以后的物理學家傷透腦筋，直到1980年代中期，進展還幾乎等于零。

　　弦論的革命

　　如今，有兩個好方案出現了。第一個叫“圈量子引力”，它完整保留了愛因斯坦理論的精髓，只是改變了欲符合量子力學條件的程序[參見本刊2004年第3期LeeSmolin所著《量子化時空》一文]。過去幾年中，圈量子引力的研究者取得了長足的進展，獲得了非常深刻的認識。然而，或許對傳統理論的革命不夠深入，因而無法解決引力量子化的根本問題。類似的問題在1934年也出現過，當時費米（EnricoFermi）提出了他的弱核力有效理論，令粒子物理學家大傷腦筋。所有建立量子費米理論的努力，全都悲慘地一無所獲。結果真正需要的，并不是新的枝巧，而是在1960年代后期，格拉肖（SheldonL?Glashow）、溫伯格（StevenWeinberg）和薩拉姆（AbdusSalam）的電弱理論所帶來的根本翻修。

　　第二個就是弦論，我認為比較有前途。弦論對愛因斯坦理論進行了真正的革命性改造，本文將著重討論；盡管圈量子引力的支持者聲稱，他們也得出了許多相同的結論。

　　弦論萌生于1968年，那是我用于描述核子（質子和中子）及其作用力的模型。盡管在問世之初引起不小的轟動，這一模型最終還是失敗了，讓位給了量子色動力學。后者用更基本的夸克來描述核子，而弦論就被舍棄了。夸克被禁錮在質子或中子內，彼此就好似用橡皮弦把它們拴在一起。現在回顧起來，最初的弦論其實已經抓住了核子世界中弦的要素。沉寂一段時間之后，弦論又以結合廣義相對論和量子理論的姿態，東山再起了。

　　弦論的核心概念，是基本粒子并非點狀物，而是無限細的一維實體，也就是弦。在基本粒子龐大的家族中，每種粒子都有自己的特性，這反映在一根弦有多種可能的振動模式上。這樣一個看似簡單的理論，如何能夠描述粒子及其作用力的復雜世界呢？答案可以在我們所說的“量子弦魔術”中找到。一旦把量子力學套用到振動的弦（與小提琴弦沒兩樣，只不過其上的振動以光速傳播）上面，嶄新的性質便出現了。所有這些性質，對于粒子物理學和宇宙學具有深刻的啟示。

　　首先，量子弦的尺度有限。如果不考慮量子效應，一根小提琴弦可以一分為二，再一分為二，這樣一直分割下去，直至最后變成一些無質量的點狀粒子。但是分割到一定程度，海森堡的測不準原理就會介入，防止最輕的弦被分割到10*-34米以下。這個不能再分割的長度量子，用ls表示，是弦論引入的一個全新的自然常數，與光速C和普朗克常數h并列。它在弦論的幾乎所有方面都起著決定性的作用，為各種物理量設定了上下限，防止它們變成零或無窮大。

　　其次，就算沒有質量的量子弦，也可以有角動量。在經典物理學中，角動量是繞軸旋轉的物體所具有的一種性質。計算角動量的公式是速度、質量以及物體到轉軸距離三者之乘積，因此無質量的物體不可能具有角動量。但在微觀世界中，由于存在量子漲落，情況有所不同。一根微小的弦即使沒有任何質量，也可以獲得不超過2h的角動量。這一性質令物理學家喜出望外，因為它同所有已知的基本作用力載體（如傳播電磁力的光子或者傳播引子的引力子）的性質不謀而合。回顧歷史，正是角動量讓物理學家注意到弦論中含有量子引力。

　　第三，量子弦要求在通常的3維之外，還存在額外的空間維度。經典的小提琴弦，不管時空的性質如何，都可以振動，而量子弦就挑剔多了。要使描述量子弦振動的方程能夠自洽，時空必須是高度彎曲的（這與觀測結果相矛盾），否則它就應該含有6個額外的空間維。

　　第四，物理常數（出現在物理方程中并決定自然界性質，例如牛頓常數與庫侖常數）不再具有任意給定的固定值。它們在弦論中以場的形式出現，就如電磁場一樣，可以動態地調整它們的數值。在不同的宇宙時期或者在相隔遙遠的空間區域，這些場可能取不同的值；即使到了今天，這些常數可能還會有微小幅度的變化。只要觀測到任何這類變化，可就是弦論的一大進展了[相關文章即將在本刊登載]。

　　這其中的所謂“膨脹子場”是整個弦論的關鍵，它決定了所有作用力的總強度。弦論學家對膨脹子特別感興趣，因為它的量值可以重新解釋為一個額外空間維的尺度，從而給出一個11維時空。

　　系緊松頭

　　量子弦使物理學家最終認識到，自然界存在新的重要對稱，稱為“對偶性”（duality），它改變了我們對尺度極小的微觀世界的直覺。