如果時間是有限的,它的終點會在哪裡?

我們是否想過，在宇宙的誕生之時，時間是否已經存在了？

在科技發達的今天，當我們著眼於研究宇宙時，基於科學理論，我們可以非常確定宇宙不是自古以來就一成不變的，而是在超過十億年的宇宙歷史中逐步發展成如今的構形。通過對遠近範圍內宇宙的觀察研究，我們可以推斷出早期的宇宙是什麼樣的以及它是如何演變成如今的面貌的。

當我們思考宇宙的起源時，會問一個最基本的問題：「這一切從何而來？」半個世紀前，科學家們第一次得出大爆炸的粗略推斷，這導致人們如今對宇宙的印象是它起源於138億年前的一個熱緻密狀態。但是在我們探索時間起點的過程中，我們已經知道時間並不是始於宇宙大爆炸。實際上，時間可能根本就沒有起點。

在大爆炸之後，宇宙分布幾乎完全均勻，充滿了物質、能量和輻射，並處於快速膨脹的狀態。隨著時間的流逝，宇宙中不僅產生了元素、原子、團簇和星系團，形成了眾多恆星以及星系，並在後來持續著膨脹的狀態以及寒冷的溫度。沒有其他的事物能與之相比，但宇宙並沒有告訴我們它所有的歷史，包括（尤其是）宇宙誕生初期。（NASA戈達德太空飛行中心）

我們思考世間萬物的時候，通常會帶上人類的思考邏輯。如果我們想要知道大爆炸的起源，我們就會盡我們所能用專業的術語去描述它，然後推理是什麼導致了大爆炸並構建了宇宙。我們不斷地尋求證據以幫助我們了解宇宙大爆炸的起源。畢竟這也是萬物的起源：大爆炸給了萬物一個開端。

但宇宙有起點這個假設可能是不正確的。在很長的一段時間裡，我們都不知道這個假設是否正確。宇宙是否有起源，或者在此之前什麼都不存在？又或者宇宙是永存不滅的？就像一條向兩端無限延長的線？再或者，也有可能我們的宇宙是不斷循環的，像一個圓的圓周無限地循環往復。

時間在宇宙中運轉方式主要有三種可能，即時間在過去和將來都長存於宇宙中，如果我們倒推就會發現時間只存在於一段有限的時期內，以及時間是有周期性的，將會不斷重複，沒有起點和終點。宇宙大爆炸似乎為我們提供了一個關於時間的答案，但後來被取代了，這使時間的起源又陷入了不確定之中。（伊桑·西格爾）

曾在一段時間裡，有許多相互矛盾的理論都與我們觀測所得到的結果相符。

1.一個不斷膨脹的宇宙可能是來源於一個奇點—太空中的一種現象—所有的空間和時間都從奇點中出現。

2.宇宙如今持續膨脹是因為它曾不斷收縮，並將會再次收縮，呈現出來回擺動的樣子（宇宙振蕩）

3.最終，膨脹的宇宙可能會保持一個永恆不變的狀態，也就是宇宙在過去、現在以及未來都會持續膨脹，宇宙中會連續不斷地產生新的物質，以保持密度恆定不變。

這三個例子代表了三種主流觀點：宇宙起源於起點，宇宙本質上是循環往復的，或者是宇宙是永存不滅的。然而，在二十世紀六十年代，科學家們發現一種低能級微波輻射布滿了整個天空，改變了以前的推測。

根據彭齊亞斯和威爾遜的最初觀測，銀道面發出了一些天體物理輻射源（輻射中心），但在銀道面上下，則是近乎完美、均勻的輻射背景。經測量，這種輻射的溫度和光譜與對大爆炸的預測驚人地一致。（NASA/威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）科研團隊）

這種輻射在各個方向以及任何地方都是同等量級的。它的溫度只比絕對零度高几度，這與宇宙早期的熱緻密狀態並在後來隨著膨脹而逐漸冷卻是一致的。

科技的發展以及高新技術的出現帶來了更準確的數據，我們知道了這種輻射有一個特殊的光譜：近乎完美的黑體。黑體是一個可以完全吸收外來輻射並釋放特定熱輻射的吸收體。如果宇宙在膨脹和冷卻的過程中沒有改變它的熵（即在絕熱條件下），從黑體光譜開始的物體即使冷卻下來也仍然是黑體。這種輻射與宇宙大爆炸時期留下來的光波一致，卻與老化光和經過反射的星光並不一致。

我們推測宇宙大爆炸中有殘留的輻射光波從各個方向散入整個宇宙中。這種輻射溫度稍高於絕對零度，在各處的量級都是相同的，並且符合完美的黑體光譜。這些預測得到了驚人的證實，從可行性上消除了恆穩態學說等其他替代理論。（NASA/戈達德宇宙飛行中心/宇宙背景探測器（主要）；普林斯頓集團，1966（插頁））

根據宇宙大爆炸論，宇宙曾溫度更高、密度更大更均勻，體積也更小。我們如今所看到的宇宙的一些特性是因為它曾在很長的一段時間裡不斷地膨脹、冷卻，並經受了引力的影響。由於輻射的波長也隨著宇宙的膨脹而拉伸了，體積較小的宇宙中的輻射波長較短，意味著其中所含的能量更多、溫度更高。

數十億年前，宇宙中溫度曾十分之高以至於即使是中性原子不爆炸就無法形成。甚至是在那之前，殘留至今的微波輻射能量十分充足，以至於在有充沛的能量的宇宙中也能在各物質中佔主導地位。甚至在更早的時候，原子核迅速爆炸裂開，時間再往前，甚至無法產生穩定的質子和中子。

不斷膨脹的宇宙可探測到的歷史中也包括人們所知的大爆炸時期的熱緻密狀態，以及隨後的構架的形成和增長。全套數據，包括對輕元素和宇宙微波背景的觀測，都表明大爆炸是我們所看到的一切的起點。隨著宇宙的膨脹，其中的溫度也逐漸冷卻下來，產生了離子、中性原子、甚至是分子、氣體雲、恆星，最終形成了星系。（NASA / CXC / M. WEISS）

如果我們一直往回推測，直至達到有反覆無常的高溫、極小距離和高密度的狀態，你憑直覺就可以知道這幾乎就是真實的宇宙開端了。如果你將時間儘可能地後推，組成我們今日所看到的宇宙的所有空間就會被壓縮成一個奇點

如今，如果你身處在這些極端的條件之下，將今天的宇宙中的所有的物質和能量都壓縮至一個足夠小的空間裡，物理定律就會被打破。你可以試著計算它的各種屬性，但只能得到一些荒謬的答案。我們是這麼描述奇點的：一個其中時間和空間都沒有任何意義的「點」。如果你一開始便進行數學計算，就會得出奇點是必定存在的，無論是何種物質主導著宇宙能量。

縱坐標軸上的宇宙規模是橫坐標軸上的時間的函數。無論宇宙是由物質（紅色）、還是輻射（藍色）或者是由空間中固有的能量（黃色）組成的，隨著時間後推，宇宙的規模會逐漸減小直至零。（伊桑·西格爾）

我們推測主導著宇宙萬有引力—愛因斯坦的廣義相對論—在奇點中卻毫無作用。相對論是一門描述空間與時間的著論。但在奇點中，空間維度和時間維度不復存在。那麼問「在時間開始之前發生了什麼」這樣的問題，就和在空間不存在時問「我在哪裡」這樣的問題一樣毫無意義。

實際上，包括保羅 戴維斯(Paul Davies)在內的許多人都提出了這一觀點，他們聲稱大爆炸才是起點。當然，如果你堅持大爆炸是時間的起點，這就是無謂的重複了。但有趣的是，我們已經知道了大爆炸不是時間的起點。自從我們對宇宙進行了現代化的、詳細的測量之後，我們就知道這種對奇點的推測一定是錯誤的。

宇宙微波背景是大爆炸的餘輝，卻並不均勻，其中有一些微小的缺陷，溫度也在幾百μK（開爾文）之間波動。這在引力的增長之後起很大的作用，並且，早期的宇宙以及如今規模龐大的宇宙都只有小於0.01%的部分是不均勻的。普朗克曾探測並計算出了更精確的波動範圍，甚至揭示了宇宙中微子對其的影響。這些波動的性質有力地證明了可觀測範圍內的宇宙的膨脹。（歐洲航天局以及普朗克合作）

尤其是，我們觀察到了的來自早期熱緻密狀態的現存殘餘輻射，其中的波動的模式和量級給我們提供了大量與宇宙的重要性質有關的信息。我們從中了解到暗物質和常態物質（質子、中子和電子）中存在多少物質。這些數據幫助我們測量了宇宙的空間曲率、暗物質的存在以及中微子的作用。

但這些數據同時告訴了我們一些非常重要但經常被忽略的事情：宇宙誕生初期是否存在最高溫度。根據來自WMAP（威爾金森微波各向異性探測器）和普朗克的數據，宇宙中的溫度沒有高於1029開爾文度過。這個數字是龐大的，但把它等同於奇點所需的溫度還小1000多倍。

在理論上，我們對整個的宇宙歷史已經非常了解了，但這只是定性分析。我們通過觀察確定了宇宙曾經存在過的各種狀態，如第一批恆星和星系的形成時間，以及宇宙是如何隨著時間的推移而膨脹，藉此我們逐漸真正地了解了我們的宇宙。宇宙中留下的一些遺蹟來自大爆炸之前的膨脹狀態，這為我們考查宇宙歷史提供了一種獨特的辦法。（NICOLE RAGER FULLER/美國國家科學基金會）

來自宇宙早期的獨特性質留下的痕跡為我們研究曾經的物理反應過程打開了一扇窗。它們不僅告知我們無法將宇宙大爆炸直接反推得到奇點，並且顯示了宇宙在大爆炸之前的存在狀態：一段宇宙暴漲的時期。

在暴漲過程中，宇宙內部存在著巨大的能量，導致了宇宙的快速膨脹，其膨脹速度呈指數增長。這段暴漲時期發生在大爆炸之前，為宇宙最初的發展提供了條件，並留下了一系列獨特的特徵供人們探索，而在探查之前，已經有理論預測了這些特徵的存在。從各項數據來看，這段暴漲時期是一個巨大的成功。

暴漲時期裡產生的量子漲落拉伸到了整個宇宙中，而當暴漲停止時，它們就變成了密度波動。而這跨越了時間的長流，導致了宇宙如今規模宏大的結構，以及宇宙微波背景中的溫度波動。這些預測有力地證明了微調機制的有效性，並證實了這段暴漲時期是宇宙大爆炸的起源這一新的主要理論。(E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH)

但是這卻背離了我們對宇宙的開端的設想。我在前文中展示了一張隨時間而發展的宇宙規模圖。那張圖表顯示了如果宇宙在早期是由物質（紅色）、輻射（藍色）或者空間本身（如暴漲期，黃色）主導的話，其膨脹方式會有什麼不同。但是我並沒有向你展示這個圖表的所有內容。

你看，我省略了原圖表中的一些內容，刪減了其中正向且有限的時間軸。換句話說，我在時間軸達到零之前截斷了它。如果我們繼續反推，物質和輻射曲線的確會在t=0這一特定的時間點上成為奇點。這就是我們最初提出宇宙大爆炸這一設想的依據。但是在暴漲的宇宙中，其規模只能漸近零，但永遠無法達到零。不管是在t=0的特定時刻，還是任何早期的時刻，無論反推多久。

藍色和紅色的線代表傳統的大爆炸設想，這種情況下，t=0是一切事物的起點，包括空間本身。但是在宇宙暴漲的設想（黃色）中，我們無法推得奇點—存在於其中的空間會進入一個奇異的狀態；相反，如果將時間無限地後推，我們只會得到宇宙的規模曾是任意小的答案。哈特爾—霍金無邊界條件與Borde-Guth-Vilenkin理論對這個狀態的持續時間表示了懷疑，但這兩個理論並不一定正確。（伊桑·西格爾）

就像科學界的其他偉大發現一樣，這一理論引起科學家們提出了大量有趣的新問題，包括：

1.這段暴漲的狀態是持續不變的嗎？我們並不知道宇宙是否各處都以相同的速度暴漲，或者是否它持續暴漲了很長的一段時間。宇宙的暴漲速度是否每時每刻都在快速變動，是否不同的地方的膨脹速度也都不同，它可能也具有我們如今觀察到的性質。

2.隨著時間的向後推移，暴漲是否永遠存在？暴漲顯然有可能成為一種永恆的狀態；我們認為在某些區域，它不會以大爆炸結束，而是會永遠持續到未來。但它是否可能在過去也是永恆存在的？我們必須考慮到沒有任何事物會阻止它膨脹這一可能性。

3.暴漲與同樣是以指數級增長的暗能量有關聯嗎？雖然兩者在規模和量級上是不同的，但早期的宇宙暴漲期以及後來的暗物質都使宇宙指數級膨脹。這兩個階段是否有相關之處，以及未來的膨脹是否會加強並使宇宙重新煥發活力，就像某種宇宙循環？

暗能量則會使未來進化成不同的樣子。保持不變或者增加強度（成為大撕裂）可能會使宇宙恢復活力，反之，若使宇宙收縮則會導致大崩墜。在這兩種設想的情景之一中，時間可能是循環的，但如果這兩者均不正確，那麼曾經的時間要麼是有限的，要麼是無限的(NASA/CXC/M.WEISS)

根據我們目前的觀測，我們無法得知以上所有問題的答案。在我們的觀測範圍內的宇宙中只有來自暴漲時期最後10–30秒左右的信息。在這之前所發生的一切—包括任何能告訴我們暴漲是如何開始的，或者它的持續時間的事情—我們所能觀察到的都會被暴漲自身的本質抹掉。

理論上，我們的處境也好不到哪裡去。Borde-Guth-Vilenkin理論告訴我們，如果將時間向後推的夠久，就會發現宇宙中所有的點都會融合在一起，而暴漲無法描繪出一個完整的時空。但這並非一定意味著暴漲的狀態不會永遠持續；這僅能表示我們目前的物理規則無法準確地描述早期階段的宇宙。

關於時間在宇宙中的運轉方式的三大可能性包括時間在過去和未來都一直存在；如果我們往回推測，會發現時間只存在於一段有限的時期裡；或者時間是不斷重複著循環的，沒有起點，也沒有終點。我們現今無法從宇宙中獲得足夠的信息來從這些可能性中找到正確的那一個答案。（伊桑·西格爾）

即使我們能一直往回追溯到大爆炸最初時期的宇宙歷史，也無法得知時間是如何（或者是否）開始的。再往前追溯，直至宇宙暴漲的末期，我們能夠知道宇宙大爆炸是從何而來以及是如何開始的，但我們觀測不到任何與發生在這之前的事情相關的信息。宇宙暴漲的最後一瞬間是我們知識的終點。

在我們提出關於時間是如何開始的三種主流觀點—即時間會一直存在，時間曾只存在於一段有限的時期內；時間是循環往復的—之後的幾千年後，我們也沒有離答案更近一步。無論時間是有限的，還是無限的，又或者是循環的，在我們可以觀測的宇宙中，我們得不到足夠的信息來回答這個問題。除非我們找到一種新的方法來獲取能夠有關這個深刻的、判斷存在的問題的信息，否則這個答案永遠是超出我們已知的極限的。

作者: Ethan Siegel

FY: 興言

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