大爆炸之前的星空是什么样子？

在现代科学的探究下，星空的年龄已经被测算，科学家们普遍认为星空的形成始于一场壮观的大爆炸。关于这场大爆炸的起源，以及它发生前的状态，仍是未解之谜。我们面临的难题是：大爆炸是如何触发的？它之前的星空是什么样子？星空是否有一个开端？这些问题被形象地称为“星空蛋难题”。

自古以来，创世神话都在试图解答这些问题，但它们大多只有两个选择：星空是创世神在某一时刻创造的，或是星空一直存在，永恒不变。例如，印度教经典《奥义书》描述了一个神秘的场景：全球最初并不存在，后来形成一个蛋，经过长时间的孕育，最终诞生出恒星神阿迭多。这样的描述虽然富有想象力，却和其他创世神话一样，存在无法解答的问题。

9世纪的印度诗人阇那斯纳对这些理论提出了批判，他指出：如果神创造了全球，那么在创世之前他在哪里？神如何在没有原材料的情况下创造全球呢？这些问题同样适用于现代的大爆炸理论。根据大爆炸理论，我们周围的所有物质都是从炽热的星空火球中产生出来的，但这个火球从何而来呢？尽管有暴胀理论等假说尝试解答，但仍存在许多未解之谜。

永恒暴胀理论提供了一个新的视角。在这个理论中，星空由不断膨胀的伪真空“海洋”组成，不断产生新的星系。我们的星系可能只是其中一个正在经历膨胀过程的星系。这种理论提供了一个没有起点也没有终点的永恒暴胀星空模型，消除了关于星空起源的困惑。这个理论同样面临挑战和未解之谜。如果暴胀一直持续下去，那么过去是否也存在起点呢？这个问题仍然悬而未决。

除了永恒暴胀理论外，还有一种观点是将星空的演化与创造和毁灭的循环联系起来。印度教中的湿婆舞蹈象征着无休止的创造与毁灭的循环，这种观念在星空学中也有类似的理论——星空在膨胀与收缩间反复循环的振荡模型。尽管这一观点曾在20世纪短暂流行过，但由于与热力学第二定律相冲突而逐渐被淘汰。根据热力学第二定律的要求，星空的熵值应该随着循环而增加，如果经历了无数次循环的话，那么应该已经到达了热平衡状态的热寂问题之中。然而我们现在的宇宙显然并未处于这种状态之中。因此这个问题仍然是一个待解决的难题。无论如何，科学家们仍在努力探索星空的奥秘和它的起源问题。他们希望通过不断的研究和发现来解答这些令人困惑的问题。在历经半个多世纪的沉寂之后，振荡星空的观点在2002年经由保罗·斯坦哈特和剑桥大学的尼尔·图罗克（Neil Turok）的重新诠释下重新焕发生机。他们提出的模型犹如一部宏大的星空循环剧本，描绘了星空在无休止的膨胀与收缩中周而复始。每一个循环起始于炽热的膨胀火球，随着火球的膨胀冷却，星空的岛屿逐渐形成，真空能也开始在星空中占据主导地位，推动星空进入指数级膨胀阶段，大约每100亿年左右，星空的大小便会翻一番。

经过数万亿年的缓慢暴胀，星空变得均匀且各向同性，继而进入平缓阶段。随着膨胀速率逐渐减缓并向收缩转变，星空开始重新收缩并立即反弹，开启一个新的循环周期。在这个过程中，一部分能量在坍缩中被释放出来，重新形成炽热的火球。

斯坦哈特和图罗克的理论中，不存在星空开端的难题。他们认为星空一直在经历同样的周期，因此并没有一个固定的开端。同样，热寂的问题也可以被回避，因为一个周期中的膨胀量总是大于收缩量，所以星空体积在每一个周期结束后都会有所增加。我们现在所见的熵值与上一周期相似区域的熵值相当，但整个星空的熵值增长了，这得益于星空体积的扩大。

德西特空间的概念为我们提供了一种研究星空现象的方法。当物理学家试图理解某一现象时，他们首先会尽可能地简化这一现象的各个方面。在永恒暴胀的情况下，我们可以忽略掉所有星系，只关注暴胀的伪真空海洋。假设星空是均匀且各向同性的，我们可以更容易地解出暴胀星空的爱因斯坦方程。

方程的解具有三维球面的几何特性。在遥远的过去，这个球面的半径曾非常大，然后开始收缩。在伪真空斥引力的影响下，收缩速度逐渐减缓。当球面静止片刻后，它会重新开始膨胀。现在斥引力沿着运动方向发挥作用，导致球面加速膨胀，其半径呈现指数级增长。这个解被称为德西特时空，以荷兰天文学家威廉·德西特的名字命名。

如果我们考虑到星系的形成过程，那么情况会有所不同。在时空收缩的区域里，星系会相互碰撞并合并，迅速填满整个空间。这将导致伪真空被完全消除，星空继续坍缩并最终引发大挤压。暴胀并不能延伸到无穷无尽的过去，它们必然会有一个开端。但是当我们尝试考虑更复杂的因素时，比如星空的不均匀性和各向异性，我们不禁要问：我们所推导出的德西特时空的收缩阶段是否只是基于简化假设的假象？我们是否能在更常规的时空环境中解决星空开端的问题？

最近我与南安普敦学院的阿尔温德·博尔德以及麻省理工学院的阿兰·古斯合作的一篇论文为解决这些疑虑提供了线索。我们的定理证明过程简洁而令人惊讶，其证明方法并未超出高中数学的范畴。然而它对星空起源问题的影响却是深远的。我们研究了膨胀的星空在不同观测者眼中的表现。设想一群观测者在引力和惯性的作用下穿越星空并记录所见所闻。如果星空没有开端那么这些观测者的视角应该能回溯到无限的过去然而我们的证明显示这种假设会导致矛盾的结论排除了一些不合理的怀疑让我们对星空的起源有了更深入的理解无论我们最终选择哪种模型来描绘星空都必须面对和解决这些问题只有这样我们才能揭开星空的神秘面纱并真正了解我们所处的宇宙环境设想一下这样一个场景，无数的星空岛在浩瀚的宇宙中分布开来，随着星空的膨胀，每个岛上的观测者都在彼此远离。我们将这些观测者称为“旁观者”。他们的视线中，星空似乎在不断扩张，使得彼此之间的距离越来越远。

在这广袤的宇宙中，还存在另一种观测者——他们是“星空旅行者”。不同于旁观者，这些旅行者正穿梭于星空的各个角落。当星空旅行者路过时，旁观者记录下了他们的速度。而我们的故事，正是围绕这些星空旅行者的冒险展开。

让我们想象一个星空旅行者，他关闭了星空飞船的引擎，任由惯性带领他在宇宙中遨游。当他经过那些旁观者时，他们会记录下他的速度。随着他穿越不同的星空岛，由于旁观者们正在远离彼此，相对于每一个旁观者而言，他的速度会逐渐减小。这就像是一场跨越星际的舞蹈，星空旅行者不断变换角色，与每一个旁观者相遇、交错。

那么在未来或者过去，当星空旅行者相对于旁观者的速度越来越慢时，回溯到遥远的过去，他的速度应该逐渐接近光速。这是爱因斯坦相对论告诉我们的真理——运动中的时钟会变慢，越接近光速，时钟的流逝就越慢。当时间似乎停滞不前时，对于旁观者来说，星空旅行者的时钟似乎已经停止了转动。但对于旅行者自己而言，他并没有感受到任何异常。那些旁观者所经历的时间流逝对他而言只是日常的一部分。

我们的论文中的独到见解在于揭示了一个事实：即便在旁观者的视角下，时间回溯到了遥远的过去，星空旅行者的时钟所经历的时间仍然是有限的。这意味着我们不能掌握旅行者的全部过去，因为某些部分在我们的认知中是缺失的。但这并不意味着我们的模型有误。相反，这一假设揭示了时空中的矛盾——如果整个宇宙中遍布观测者这一前提导致了矛盾的结论，那么这个假设本身可能是错误的。但我们依然需要明确一点：我们并未对星空的物质含量做出任何假设，甚至没有对爱因斯坦的引力方程做出任何改变。我们的结论只基于一个前提：星空的膨胀速率始终大于零。即使在伪真空中暴胀的时代也是如此。因此我们可以肯定地说：过去的永恒暴胀不可能没有开端。即使是循环星空也无法逃脱这一现实——即使星空体积在每个周期结束后都会增加也会陷入循环膨胀和收缩的模式中但平均下来依然是在膨胀中所以我们的结论依然成立回溯过去星空旅行者的速度在增加直至逼近光速极限。这就是我们提出的观点——过去的永恒并不等同于无限膨胀的开端需要有一个清晰的起点和终点即使对于循环星空也是如此。通过严密的论证我们希望能够说服每一位理性的人认识到星空的发展并非永恒而是有其始有其终这样的观点也许会引起一些争议但我们坚信科学的真理不会被情绪左右它会经受住时间的考验而最终的答案也将由时间来揭晓。在接下来的研究中我们将继续探索宇宙的奥秘揭示更多关于星空发展的真相。这就是我们的目标也是我们的责任推动科学的进步造福人类的生活和未来世界的发展探索无尽的宇宙未知开启全新的时代！让我们携手并肩共同前行探索宇宙的真谛共创美好的未来！让我们在探寻星空的过程同见证奇迹的诞生！论文修改过程中的纠结与神学家眼中的星空开端证明

当阿兰终于挤出时间对论文进行打磨时，总有那么一些字眼让他陷入纠结，像是“一位匿名审稿人”与“这位匿名审稿人”这样的表述，他在其中探索了两种说法的优缺点。阿兰也意识到他在论文修改上花费的时间过长，有时竟自嘲道：“我应该感谢你们没开枪打我”。他也在解决更为实质性的问题，而这场旷日持久的修改战也确实让论文有了显著的进步。最终，这篇论文在2003年4月得以发表。

接下来，让我们探讨一个更为深奥的话题——“星空开端”是否可以作为上帝存在的证明？

神学家们热衷于寻找任何有关星空起源的证据，并将其视为神明的证明。在20世纪50年代，随着星空大爆炸理论的证据不断累积，这一话题在神学界及部分具有宗教倾向的科学家中激起了巨大的热情。英国物理学家爱德华·米尔恩提到：“星空膨胀背后的原动力是一个留给读者想象的部分，但若没有上帝，我们的构想则显得不完整。”

对于这一观点，教皇庇护十二世更是给出了官方的认可。他在1951年对梵蒂冈教皇科学院的讲话中表示：“星空大爆炸的过程已经通过有根据的推理得到确认是造物主所为。创世确有其事，造物主确有其‘人’，上帝存在！”此言一出，教皇为之振奋。

对于大多数科学家而言，他们本能地抗拒将星空的开端与神的干预联系在一起。诺贝尔化学奖得主·能斯特认为：“否认时间的无限延续将是对科学基础的背叛。”星空的开端似乎太过神秘，似乎无法用科学的语言来描述。在这一问题上，科学家与神学家似乎达成了某种共识。

那么，我们该如何理解星空开端这一不可避免的话题呢？这是否就是证明上帝存在的一项证据？其实，这个问题并非那么简单。任何试图探究星空起源的人都需要准备好面对星空逻辑悖论。关于这一点，我与我的同事们共同研究的定理并没有给神学家带来压倒科学家的优势。正如阇那斯纳所言，宗教同样无法幸免于创世的悖论。

科学家们或许应该重新思考对于星空开端无法用纯粹的科学术语来描述的看法。虽然这看似是一个难题，但那些看似不可能的事情往往只是我们想象力的局限。未来或许会有新的理论与发现为我们揭示星空的奥秘。