让每个镜头,都记录精彩我们是否想过，在宇宙的诞生之时，时间是否已经存在了？
在科技发达的今天，当我们着眼于研究宇宙时，基于科学理论，我们可以非常确定宇宙不是自古以来就一成不变的，而是在超过十亿年的宇宙历史中逐步发展成如今的构形。通过对远近范围内宇宙的观察研究，我们可以推断出早期的宇宙是什么样的以及它是如何演变成如今的面貌的。
当我们思考宇宙的起源时，会问一个最基本的问题：“这一切从何而来？”半个世纪前，科学家们第一次得出大爆炸的粗略推断，这导致人们如今对宇宙的印象是它起源于138亿年前的一个热致密状态。但是在我们探索时间起点的过程中，我们已经知道时间并不是始于宇宙大爆炸。实际上，时间可能根本就没有起点。
在大爆炸之后，宇宙分布几乎完全均匀，充满了物质、能量和辐射，并处于快速膨胀的状态。随着时间的流逝，宇宙中不仅产生了元素、原子、团簇和星系团，形成了众多恒星以及星系，并在后来持续着膨胀的状态以及寒冷的温度。没有其他的事物能与之相比，但宇宙并没有告诉我们它所有的历史，包括（尤其是）宇宙诞生初期。（NASA戈达德太空飞行中心）
我们思考世间万物的时候，通常会带上人类的思考逻辑。如果我们想要知道大爆炸的起源，我们就会尽我们所能用专业的术语去描述它，然后推理是什么导致了大爆炸并构建了宇宙。我们不断地寻求证据以帮助我们了解宇宙大爆炸的起源。毕竟这也是万物的起源：大爆炸给了万物一个开端。
但宇宙有起点这个假设可能是不正确的。在很长的一段时间里，我们都不知道这个假设是否正确。宇宙是否有起源，或者在此之前什么都不存在？又或者宇宙是永存不灭的？就像一条向两端无限延长的线？再或者，也有可能我们的宇宙是不断循环的，像一个圆的圆周无限地循环往复。
时间在宇宙中运转方式主要有三种可能，即时间在过去和将来都长存于宇宙中，如果我们倒推就会发现时间只存在于一段有限的时期内，以及时间是有周期性的，将会不断重复，没有起点和终点。宇宙大爆炸似乎为我们提供了一个关于时间的答案，但后来被取代了，这使时间的起源又陷入了不确定之中。（伊桑·西格尔）
曾在一段时间里，有许多相互矛盾的理论都与我们观测所得到的结果相符。
1.一个不断膨胀的宇宙可能是来源于一个奇点—太空中的一种现象—所有的空间和时间都从奇点中出现。
2.宇宙如今持续膨胀是因为它曾不断收缩，并将会再次收缩，呈现出来回摆动的样子（宇宙振荡）
3.最终，膨胀的宇宙可能会保持一个永恒不变的状态，也就是宇宙在过去、现在以及未来都会持续膨胀，宇宙中会连续不断地产生新的物质，以保持密度恒定不变。
这三个例子代表了三种主流观点：宇宙起源于起点，宇宙本质上是循环往复的，或者是宇宙是永存不灭的。然而，在二十世纪六十年代，科学家们发现一种低能级微波辐射布满了整个天空，改变了以前的推测。
根据彭齐亚斯和威尔逊的最初观测，银道面发出了一些天体物理辐射源（辐射中心），但在银道面上下，则是近乎完美、均匀的辐射背景。经测量，这种辐射的温度和光谱与对大爆炸的预测惊人地一致。（NASA/威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）科研团队）
这种辐射在各个方向以及任何地方都是同等量级的。它的温度只比绝对零度高几度，这与宇宙早期的热致密状态并在后来随着膨胀而逐渐冷却是一致的。
科技的发展以及高新技术的出现带来了更准确的数据，我们知道了这种辐射有一个特殊的光谱：近乎完美的黑体。黑体是一个可以完全吸收外来辐射并释放特定热辐射的吸收体。如果宇宙在膨胀和冷却的过程中没有改变它的熵（即在绝热条件下），从黑体光谱开始的物体即使冷却下来也仍然是黑体。这种辐射与宇宙大爆炸时期留下来的光波一致，却与老化光和经过反射的星光并不一致。
我们推测宇宙大爆炸中有残留的辐射光波从各个方向散入整个宇宙中。这种辐射温度稍高于绝对零度，在各处的量级都是相同的，并且符合完美的黑体光谱。这些预测得到了惊人的证实，从可行性上消除了恒稳态学说等其他替代理论。（NASA/戈达德宇宙飞行中心/宇宙背景探测器（主要）；普林斯顿集团，1966（插页））
根据宇宙大爆炸论，宇宙曾温度更高、密度更大更均匀，体积也更小。我们如今所看到的宇宙的一些特性是因为它曾在很长的一段时间里不断地膨胀、冷却，并经受了引力的影响。由于辐射的波长也随着宇宙的膨胀而拉伸了，体积较小的宇宙中的辐射波长较短，意味着其中所含的能量更多、温度更高。
数十亿年前，宇宙中温度曾十分之高以至于即使是中性原子不爆炸就无法形成。甚至是在那之前，残留至今的微波辐射能量十分充足，以至于在有充沛的能量的宇宙中也能在各物质中占主导地位。甚至在更早的时候，原子核迅速爆炸裂开，时间再往前，甚至无法产生稳定的质子和中子。
不断膨胀的宇宙可探测到的历史中也包括人们所知的大爆炸时期的热致密状态，以及随后的构架的形成和增长。全套数据，包括对轻元素和宇宙微波背景的观测，都表明大爆炸是我们所看到的一切的起点。随着宇宙的膨胀，其中的温度也逐渐冷却下来，产生了离子、中性原子、甚至是分子、气体云、恒星，最终形成了星系。（NASA / CXC / M. WEISS）
如果我们一直往回推测，直至达到有反复无常的高温、极小距离和高密度的状态，你凭直觉就可以知道这几乎就是真实的宇宙开端了。如果你将时间尽可能地后推，组成我们今日所看到的宇宙的所有空间就会被压缩成一个奇点
如今，如果你身处在这些极端的条件之下，将今天的宇宙中的所有的物质和能量都压缩至一个足够小的空间里，物理定律就会被打破。你可以试着计算它的各种属性，但只能得到一些荒谬的答案。我们是这么描述奇点的：一个其中时间和空间都没有任何意义的“点”。如果你一开始便进行数学计算，就会得出奇点是必定存在的，无论是何种物质主导着宇宙能量。
纵坐标轴上的宇宙规模是横坐标轴上的时间的函数。无论宇宙是由物质（红色）、还是辐射（蓝色）或者是由空间中固有的能量（黄色）组成的，随着时间后推，宇宙的规模会逐渐减小直至零。（伊桑·西格尔）
我们推测主导着宇宙万有引力—爱因斯坦的广义相对论—在奇点中却毫无作用。相对论是一门描述空间与时间的著论。但在奇点中，空间维度和时间维度不复存在。那么问“在时间开始之前发生了什么”这样的问题，就和在空间不存在时问“我在哪里”这样的问题一样毫无意义。
实际上，包括保罗•戴维斯(Paul Davies)在内的许多人都提出了这一观点，他们声称大爆炸才是起点。当然，如果你坚持大爆炸是时间的起点，这就是无谓的重复了。但有趣的是，我们已经知道了大爆炸不是时间的起点。自从我们对宇宙进行了现代化的、详细的测量之后，我们就知道这种对奇点的推测一定是错误的。
宇宙微波背景是大爆炸的余辉，却并不均匀，其中有一些微小的缺陷，温度也在几百μK（开尔文）之间波动。这在引力的增长之后起很大的作用，并且，早期的宇宙以及如今规模庞大的宇宙都只有小于0.01%的部分是不均匀的。普朗克曾探测并计算出了更精确的波动范围，甚至揭示了宇宙中微子对其的影响。这些波动的性质有力地证明了可观测范围内的宇宙的膨胀。（欧洲航天局以及普朗克合作）
尤其是，我们观察到了的来自早期热致密状态的现存残余辐射，其中的波动的模式和量级给我们提供了大量与宇宙的重要性质有关的信息。我们从中了解到暗物质和常态物质（质子、中子和电子）中存在多少物质。这些数据帮助我们测量了宇宙的空间曲率、暗物质的存在以及中微子的作用。
但这些数据同时告诉了我们一些非常重要但经常被忽略的事情：宇宙诞生初期是否存在最高温度。根据来自WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）和普朗克的数据，宇宙中的温度没有高于1029开尔文度过。这个数字是庞大的，但把它等同于奇点所需的温度还小1000多倍。
在理论上，我们对整个的宇宙历史已经非常了解了，但这只是定性分析。我们通过观察确定了宇宙曾经存在过的各种状态，如第一批恒星和星系的形成时间，以及宇宙是如何随着时间的推移而膨胀，借此我们逐渐真正地了解了我们的宇宙。宇宙中留下的一些遗迹来自大爆炸之前的膨胀状态，这为我们考查宇宙历史提供了一种独特的办法。（NICOLE RAGER FULLER/美国国家科学基金会）
来自宇宙早期的独特性质留下的痕迹为我们研究曾经的物理反应过程打开了一扇窗。它们不仅告知我们无法将宇宙大爆炸直接反推得到奇点，并且显示了宇宙在大爆炸之前的存在状态：一段宇宙暴涨的时期。
在暴涨过程中，宇宙内部存在着巨大的能量，导致了宇宙的快速膨胀，其膨胀速度呈指数增长。这段暴涨时期发生在大爆炸之前，为宇宙最初的发展提供了条件，并留下了一系列独特的特征供人们探索，而在探查之前，已经有理论预测了这些特征的存在。从各项数据来看，这段暴涨时期是一个巨大的成功。
暴涨时期里产生的量子涨落拉伸到了整个宇宙中，而当暴涨停止时，它们就变成了密度波动。而这跨越了时间的长流，导致了宇宙如今规模宏大的结构，以及宇宙微波背景中的温度波动。这些预测有力地证明了微调机制的有效性，并证实了这段暴涨时期是宇宙大爆炸的起源这一新的主要理论。(E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH)
但是这却背离了我们对宇宙的开端的设想。我在前文中展示了一张随时间而发展的宇宙规模图。那张图表显示了如果宇宙在早期是由物质（红色）、辐射（蓝色）或者空间本身（如暴涨期，黄色）主导的话，其膨胀方式会有什么不同。但是我并没有向你展示这个图表的所有内容。
你看，我省略了原图表中的一些内容，删减了其中正向且有限的时间轴。换句话说，我在时间轴达到零之前截断了它。如果我们继续反推，物质和辐射曲线的确会在t=0这一特定的时间点上成为奇点。这就是我们最初提出宇宙大爆炸这一设想的依据。但是在暴涨的宇宙中，其规模只能渐近零，但永远无法达到零。不管是在t=0的特定时刻，还是任何早期的时刻，无论反推多久。
蓝色和红色的线代表传统的大爆炸设想，这种情况下，t=0是一切事物的起点，包括空间本身。但是在宇宙暴涨的设想（黄色）中，我们无法推得奇点—存在于其中的空间会进入一个奇异的状态；相反，如果将时间无限地后推，我们只会得到宇宙的规模曾是任意小的答案。哈特尔—霍金无边界条件与Borde-Guth-Vilenkin理论对这个状态的持续时间表示了怀疑，但这两个理论并不一定正确。（伊桑·西格尔）
就像科学界的其他伟大发现一样，这一理论引起科学家们提出了大量有趣的新问题，包括：
1.这段暴涨的状态是持续不变的吗？我们并不知道宇宙是否各处都以相同的速度暴涨，或者是否它持续暴涨了很长的一段时间。宇宙的暴涨速度是否每时每刻都在快速变动，是否不同的地方的膨胀速度也都不同，它可能也具有我们如今观察到的性质。
2.随着时间的向后推移，暴涨是否永远存在？暴涨显然有可能成为一种永恒的状态；我们认为在某些区域，它不会以大爆炸结束，而是会永远持续到未来。但它是否可能在过去也是永恒存在的？我们必须考虑到没有任何事物会阻止它膨胀这一可能性。
3.暴涨与同样是以指数级增长的暗能量有关联吗？虽然两者在规模和量级上是不同的，但早期的宇宙暴涨期以及后来的暗物质都使宇宙指数级膨胀。这两个阶段是否有相关之处，以及未来的膨胀是否会加强并使宇宙重新焕发活力，就像某种宇宙循环？
暗能量则会使未来进化成不同的样子。保持不变或者增加强度（成为大撕裂）可能会使宇宙恢复活力，反之，若使宇宙收缩则会导致大崩坠。在这两种设想的情景之一中，时间可能是循环的，但如果这两者均不正确，那么曾经的时间要么是有限的，要么是无限的(NASA/CXC/M.WEISS)
根据我们目前的观测，我们无法得知以上所有问题的答案。在我们的观测范围内的宇宙中只有来自暴涨时期最后10–30秒左右的信息。在这之前所发生的一切—包括任何能告诉我们暴涨是如何开始的，或者它的持续时间的事情—我们所能观察到的都会被暴涨自身的本质抹掉。
理论上，我们的处境也好不到哪里去。Borde-Guth-Vilenkin理论告诉我们，如果将时间向后推的够久，就会发现宇宙中所有的点都会融合在一起，而暴涨无法描绘出一个完整的时空。但这并非一定意味着暴涨的状态不会永远持续；这仅能表示我们目前的物理规则无法准确地描述早期阶段的宇宙。
关于时间在宇宙中的运转方式的三大可能性包括时间在过去和未来都一直存在；如果我们往回推测，会发现时间只存在于一段有限的时期里；或者时间是不断重复着循环的，没有起点，也没有终点。我们现今无法从宇宙中获得足够的信息来从这些可能性中找到正确的那一个答案。（伊桑·西格尔）
即使我们能一直往回追溯到大爆炸最初时期的宇宙历史，也无法得知时间是如何（或者是否）开始的。再往前追溯，直至宇宙暴涨的末期，我们能够知道宇宙大爆炸是从何而来以及是如何开始的，但我们观测不到任何与发生在这之前的事情相关的信息。宇宙暴涨的最后一瞬间是我们知识的终点。
在我们提出关于时间是如何开始的三种主流观点—即时间会一直存在，时间曾只存在于一段有限的时期内；时间是循环往复的—之后的几千年后，我们也没有离答案更近一步。无论时间是有限的，还是无限的，又或者是循环的，在我们可以观测的宇宙中，我们得不到足够的信息来回答这个问题。除非我们找到一种新的方法来获取能够有关这个深刻的、判断存在的问题的信息，否则这个答案永远是超出我们已知的极限的。
作者: Ethan Siegel
FY: 兴言
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