著者：黃姤 / 黃媂

@天體生物學(xué) / @太空生物學(xué)

在上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始， 以「宇宙微波背景輻射」的發(fā)現(xiàn)為標(biāo)志，「大爆炸模型」逐漸成為宇宙學(xué)研究的范式，經(jīng)過(guò)「暴脹模型」的微創(chuàng)手術(shù)，經(jīng)過(guò)加速膨脹的考驗(yàn)，“大爆炸”已經(jīng)幾乎是路人皆知的名詞了。您也許不知道，除了「大爆炸模型」，科學(xué)家還在絞盡腦汁想著宇宙是否可能有其它的起源呢？畢竟宇宙起源于大爆炸這樣一件事情并沒(méi)有被理論和實(shí)驗(yàn)作實(shí)，這就好比公元二世紀(jì)的「地心說(shuō)」一樣，所謂那個(gè)時(shí)代與天文觀(guān)測(cè)符合程度最高的理論·「日心說(shuō)」，最終還是不可避免的被丟在了歷史的垃圾桶中。

目前，「大爆炸模型」與實(shí)驗(yàn)和觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)符合的程度也很高，但是不能排除的是，以后更聰明的人類(lèi)會(huì)有更多的新發(fā)現(xiàn)，「大爆炸模型」也會(huì)被他們遺棄，畢竟科學(xué)在發(fā)展，我們?cè)诓粩嗉m正前人的錯(cuò)誤，后人也會(huì)做同樣的事情，所以這篇文章就來(lái)聊一下——如果宇宙不是起源于大爆炸，還有多少種起源方式呢？

第1個(gè)挑戰(zhàn)者就是——「準(zhǔn)穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型」

人們最初認(rèn)為宇宙始于大爆炸的線(xiàn)索是哈勃發(fā)現(xiàn)的星系遠(yuǎn)離，如果星系正在遠(yuǎn)離，那么順著時(shí)間的鏈條向前追溯，星系之間就會(huì)彼此相互靠近，最終不可避免地擠壓成為一個(gè)“點(diǎn)”?！复蟊Ｐ汀沟闹С终哒J(rèn)為宇宙正是從這個(gè)“點(diǎn)”開(kāi)始起源。

可是上個(gè)世紀(jì)40年代起，英國(guó)人霍伊爾卻有另外一種想法，他認(rèn)為宇宙沒(méi)有開(kāi)始和結(jié)束，是永遠(yuǎn)存在的，在宇宙膨脹的同時(shí)，物質(zhì)也在不斷地被創(chuàng)造出來(lái)，空間擴(kuò)張所帶來(lái)的真空區(qū)域，被這些新生的物質(zhì)占據(jù)，這樣宇宙就不會(huì)像「大爆炸模型」所說(shuō)的那樣，從一個(gè)“點(diǎn)”起源，而是能夠永恒的存在下去?！阜€(wěn)恒態(tài)模型」和「大爆炸模型」之間的爭(zhēng)論，最終的結(jié)果是「穩(wěn)恒態(tài)模型」失敗了。但是在90年代這個(gè)模型又一次卷土重來(lái)，霍伊爾提出了「穩(wěn)恒態(tài)模型」的修正版本——「準(zhǔn)穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型」。

這個(gè)模型要求宇宙在膨脹和收縮之間來(lái)回?cái)[動(dòng)，就像一根彈簧一般，在兩次膨脹之間有一次規(guī)則的收縮階段，每當(dāng)收縮變?yōu)榕蛎浀臅r(shí)間點(diǎn)，就發(fā)生一次宇宙小爆炸，在這個(gè)小爆炸中物質(zhì)被創(chuàng)生，維系著宇宙中物質(zhì)密度的平衡。在「準(zhǔn)穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型」中，宇宙并沒(méi)有一個(gè)創(chuàng)生的時(shí)刻，不存在什么大爆炸，而是由無(wú)數(shù)個(gè)小爆炸組成的。

很遺憾的是，這個(gè)模型依然無(wú)法解釋我們所觀(guān)測(cè)到的「宇宙微波背景輻射」，所以支持他的人并不是很多。

第2個(gè)挑戰(zhàn)者就是——「高維空間碰撞理論」

上個(gè)世紀(jì)的90年代，一種新的物理理論逐漸在科學(xué)界興起，那就是「弦理論」?！赶依碚摗沟奶岢鼍褪菫榱艘粋€(gè)大統(tǒng)一，宇宙中4種基本力：萬(wàn)有引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力，「弦理論」有望統(tǒng)一這4種力，成為大統(tǒng)一的理論。在「弦理論」中有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，那就是——空間是超過(guò)三維的。

在我們的日常生活中能夠被感知的維度有四個(gè)，其中空間有三個(gè)維度，時(shí)間有一個(gè)，而「弦理論」認(rèn)為存在著比我們?nèi)粘Ｉ钏?jiàn)4個(gè)維度以外的維度，一共有十一個(gè)維度，這些維度我們無(wú)法感知，就像我們無(wú)法感知紅外線(xiàn)和超聲波一樣，在「弦理論」所構(gòu)成的十一個(gè)維度的高維時(shí)空中，我們的宇宙是鑲嵌在更高維空間中的“四維島嶼”或者說(shuō)是一個(gè)“四維的膜”。我們無(wú)法感知到相鄰的“膜”，因?yàn)槲镔|(zhì)、時(shí)間和輻射都只能在膜內(nèi)運(yùn)動(dòng)，無(wú)法穿過(guò)。

我們的宇宙就像是一個(gè)面包片，我們就生活在這個(gè)面包片上，雖然廚房中還有很多面包片，但是我們無(wú)法逃離面包片，其他的面包片我們無(wú)法感知。于是在更高的維度看來(lái)，兩個(gè)膜就可能發(fā)生碰撞，這就好比某個(gè)屋子中全部都是會(huì)飛的面包片一樣，兩個(gè)宇宙隨時(shí)會(huì)發(fā)生碰撞，我們的宇宙在一個(gè)膜上，另一個(gè)宇宙在另外一張膜上，這兩個(gè)世界被困在了兩張膜上。

但當(dāng)兩張膜發(fā)生碰撞的時(shí)候，膜的動(dòng)能就會(huì)轉(zhuǎn)化成為熱能，能量就轉(zhuǎn)化成為物質(zhì)，將宇宙加熱到極高的溫度。當(dāng)膜碰撞后分開(kāi)它們就充滿(mǎn)了由碰撞產(chǎn)生的物質(zhì)和輻射，就能創(chuàng)造新的原子、分子、恒星和星系，這次碰撞對(duì)于生活在膜上的生命來(lái)說(shuō)，就相當(dāng)于發(fā)生了一場(chǎng)大爆炸，而當(dāng)膜再次發(fā)生碰撞時(shí)，還會(huì)再來(lái)一場(chǎng)大爆炸，這個(gè)理論與傳統(tǒng)的「大爆炸模型」的區(qū)別是——爆炸不能夠作為宇宙的開(kāi)端，因?yàn)橛钪嬖诒ㄖ耙呀?jīng)存在了，而且隨時(shí)可能迎來(lái)下一場(chǎng)的爆炸。

如果我們真的生活在一張膜上，而另外一張膜離我們也不遠(yuǎn)，我們看不到另外一張膜，因?yàn)楣庵荒茉谀?nèi)旅行不能穿過(guò)兩膜之間的空間，然而我們可以感受到另一張膜中物體的引力，對(duì)于我們而言，它們就像是暗物質(zhì)一般，只有引力，其他什么我們都不知道，因此這個(gè)理論還能在一定程度上解釋暗物質(zhì)的存在。

但是，這個(gè)理論目前只能是一種說(shuō)法，因?yàn)楹茈y證偽，畢竟它的前提是存在更高的維度，更高的維度本身是無(wú)法被感知的，去證實(shí)這個(gè)問(wèn)題很可能會(huì)陷入一種死循環(huán)中。

第3個(gè)挑戰(zhàn)者就是——「循環(huán)宇宙理論」

該理論認(rèn)為，隨著宇宙的不斷膨脹，最終將會(huì)達(dá)到一個(gè)極限，在極限后開(kāi)始收縮，在到達(dá)另一個(gè)極限后出現(xiàn)反彈又繼續(xù)膨脹，如此周而復(fù)始，演繹一個(gè)又一個(gè)的輪回，在這個(gè)模型中，宇宙似乎就是一個(gè)氣球，被吹大后然后把氣放光，然后再吹大。

這個(gè)理論的支持者認(rèn)為，雖然現(xiàn)在的宇宙正在加速膨脹，但是總有一天宇宙中的暗能量會(huì)屈服于萬(wàn)有引力，膨脹結(jié)束宇宙就會(huì)開(kāi)始收縮的過(guò)程，而收縮到一定程度時(shí)，宇宙會(huì)再來(lái)一次大爆炸，然后接著膨脹，這樣周而復(fù)始，宇宙會(huì)以每次大爆炸為分界，不斷地循環(huán)，一個(gè)宇宙結(jié)束的時(shí)候另一個(gè)宇宙就開(kāi)始了，那么如何證實(shí)這個(gè)理論呢？

一些科學(xué)家認(rèn)為，對(duì)于我們無(wú)法觸及的大爆炸之前的上一輪宇宙，如果它真的存在，或許在它結(jié)束的時(shí)候，某些天文現(xiàn)象能夠在新的一輪宇宙中留下獨(dú)特的印記。英國(guó)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯就是一位 「循環(huán)宇宙學(xué)說(shuō)」的強(qiáng)烈支持者，他可以說(shuō)是當(dāng)代最具影響力的理論物理學(xué)家之一了，與霍金一同證明了「起點(diǎn)定理」的是他，著名的「宇宙監(jiān)督假說(shuō)」的提出者也是他，著名的科普書(shū)《皇帝新腦》的作者還是他。

彭羅斯的想法總是腦洞大開(kāi)，極富爭(zhēng)議，「循環(huán)宇宙學(xué)說(shuō)」就是其中之一，彭羅斯一直致力于在這個(gè)宇宙中發(fā)現(xiàn)上一個(gè)宇宙存在的證據(jù)，在尋找它的時(shí)候就要找到這個(gè)宇宙剛開(kāi)始形成時(shí)留下的證據(jù)，可這是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)榈侥壳盀橹?，我們能夠探究到的最早的?lái)自宇宙的信號(hào)就是宇宙大爆炸之后30萬(wàn)年的宇宙微波背景輻射。即便到了宇宙大爆炸后的30萬(wàn)年，上一個(gè)宇宙還是有可能留下印記，彭羅斯在宇宙微波背景輻射的圖像中，找到了一些非常異常的環(huán)，這些環(huán)的內(nèi)外存在巨大的溫差，我們都知道早期宇宙的密度漲落非常小，不太可能出現(xiàn)巨大的溫差，對(duì)這個(gè)奇異的環(huán)只有一種解釋?zhuān)蔷褪撬鼇?lái)自于上一個(gè)宇宙。

彭羅斯說(shuō)，在上一輪宇宙收縮的過(guò)程中，一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞蒸發(fā)釋放出了霍金輻射，而當(dāng)宇宙終結(jié)的時(shí)候，黑洞已經(jīng)蒸發(fā)完畢，但是霍金輻射保留了下來(lái)，在宇宙微波背景輻射中形成了環(huán)形的印記，為了表達(dá)他對(duì)老搭檔霍金的敬意，彭羅斯便將這類(lèi)點(diǎn)命名為「霍金點(diǎn)」。彭羅斯和他的同事在宇宇宙微波背景輻射的圖像中，一共找到了20個(gè)存在溫度差異的“可疑圓環(huán)”，也就是20個(gè)「霍金點(diǎn)」。

這些點(diǎn)真的是上個(gè)宇宙留下的痕跡嗎？雖然彭羅斯相信不疑，可是還是有一些其他科學(xué)家提出不同的意見(jiàn)：

一位德國(guó)的理論物理學(xué)家就認(rèn)為，如果存在上一個(gè)宇宙的話(huà)，那么在宇宙微波背景輻射的圖像中，應(yīng)當(dāng)會(huì)存在上百萬(wàn)個(gè)「霍金點(diǎn)」，然而算上那些比較可疑的點(diǎn)，彭羅斯一共才找到了20個(gè)，因此他質(zhì)疑「霍金點(diǎn)」成立的可信性。

也有人認(rèn)為，宇宙微波背景輻射本身充滿(mǎn)了隨機(jī)特征，人眼本身就很容易被迷惑，不小心做出一件錯(cuò)誤的判斷是非常正常的事情，即便他是偉大的物理學(xué)家彭羅斯。

第4個(gè)挑戰(zhàn)者就是——「模擬宇宙理論」

對(duì)于這個(gè)理論先從一個(gè)電影說(shuō)起，不知道大家是否看過(guò)科幻電影《源代碼》，電影的男主角生活在一個(gè)不真實(shí)的世界中，每次只能待在那里8分鐘，這個(gè)事件是被科學(xué)家用數(shù)字模擬出來(lái)的，在理論上8分鐘內(nèi)所有涉及到的人和事物都是可以進(jìn)行數(shù)字化的，我們完全有能力將它們?nèi)繉?xiě)入代碼之中，讓這個(gè)模擬的世界運(yùn)行在某臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上，許多開(kāi)放世界的游戲，實(shí)際上也是模擬出來(lái)的真實(shí)世界，只不過(guò)游戲?qū)ΜF(xiàn)實(shí)世界的模擬不是很完全，我們?cè)谟螒蛑幸膊⒉皇悄軌蛳敫墒裁淳透墒裁矗@是因?yàn)槲覀兇蛴螒虻挠?jì)算機(jī)能力還十分有限?？墒窃谟?jì)算能力不受約束的時(shí)候，所有人的生活都是可以被模擬的，那么宇宙是不是也能夠被模擬呢？

答案是肯定的。

事實(shí)上已經(jīng)有相當(dāng)多的科學(xué)家正在做這件事情了，我們只需要給宇宙一個(gè)初始的參數(shù)，包括萬(wàn)有引力常數(shù)、真空介電常數(shù)、真空導(dǎo)磁率、真空的光速、普朗克常數(shù)、電子或質(zhì)子的電量等等，然后讓宇宙在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行起來(lái)，如果不考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能極限的話(huà)，那么事實(shí)上在這臺(tái)計(jì)算機(jī)中就有了一個(gè)完整的宇宙，科學(xué)家其實(shí)也在做著宇宙的模擬，只是我們的計(jì)算能力非常有限，即便是超級(jí)計(jì)算機(jī)在模擬宇宙時(shí)也是不夠用的，我們所能模擬的宇宙只是片段的、有限的、不完整的。

比如2017年曾經(jīng)報(bào)道過(guò)，我國(guó)的超級(jí)計(jì)算機(jī)神威太湖之光，它模擬了宇宙的形成和早期擴(kuò)張，而這個(gè)宇宙號(hào)稱(chēng)是最大的虛擬宇宙，我們雖然沒(méi)有能力模擬整個(gè)宇宙，可是如果宇宙中存在一種超乎我們想象的超級(jí)文明，它們已經(jīng)有了無(wú)法想象的超級(jí)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，那么它們是有可能去模擬宇宙的。不僅如此，它們很可能模擬很多個(gè)宇宙，每個(gè)宇宙都有著略微不同的初始條件，有著不同的演化路線(xiàn)和演化結(jié)果，在這種情況下我們幾乎可以確定，我們生活在超級(jí)文明模擬的宇宙中，這是因?yàn)槟M宇宙的數(shù)量很可能非常多，而原版的宇宙只有一個(gè)，我們處在原版的宇宙中的概率幾乎為0，數(shù)字模擬宇宙理論可以說(shuō)是缸中之腦的升級(jí)版，我們一樣很難證偽，如何證明自己活在虛擬的世界中呢？

圖解：神威太湖之光

回答這個(gè)問(wèn)題之前先把它轉(zhuǎn)移成為另外一個(gè)問(wèn)題，那就是如果我是某個(gè)游戲中的NPC，如何證明自己只是一個(gè)游戲中的人物呢？有一點(diǎn)是可以作為考慮的，那就是找游戲的bug，因?yàn)闆](méi)有bug的程序是不存在的，作為游戲的NPC，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你只能做幾個(gè)固定的動(dòng)作，只能待在某個(gè)地方杵著，有人來(lái)了以后只能跟他們說(shuō)幾句固定的話(huà)，賣(mài)幾件固定的裝備，這明顯不符合自由意識(shí)原理，你甚至可以看到一個(gè)瘦弱的女戰(zhàn)士，一腳就踢飛了一個(gè)猛獸，她自己卻紋絲不動(dòng)，這明顯違背動(dòng)量守恒定律，明顯是bug。

但是在游戲的世界中，根本就不存在什么自由意識(shí)原理，也不存在什么動(dòng)量守恒定律，所以作為游戲的NPC，你可能根本不知道這些原理和定律，甚至如果你發(fā)現(xiàn)外面的世界存在這些原理和定律，你會(huì)認(rèn)為外面的世界很奇怪，有bug，認(rèn)為外面的世界是不真實(shí)的。

通過(guò)上面的討論我們大致能夠得出這樣的結(jié)論，那就是_如果我們生活在模擬的宇宙中，我們也很難發(fā)現(xiàn)模擬的宇宙中存在bug，我們會(huì)將這些bug當(dāng)做宇宙的運(yùn)行規(guī)律，雖然我們并不知道為什么是這樣，因此我們幾乎無(wú)法確認(rèn)自己是生活在模擬的宇宙中還是生活在現(xiàn)實(shí)的宇宙中。

在數(shù)字模擬宇宙理論中，我們所處的宇宙確實(shí)起源于一次大爆炸，但這次大爆炸的原因可能只是超級(jí)文明的某個(gè)操作員點(diǎn)擊了一下回車(chē)鍵，于是一個(gè)適合生命存活的宇宙開(kāi)始在計(jì)算機(jī)中被模擬出來(lái)，并一直演化到今天，如果是這樣的話(huà)，這就意味著模擬這個(gè)宇宙的先進(jìn)文明是真實(shí)的，而我們是虛擬的。

這個(gè)理論也有人質(zhì)疑，他們認(rèn)為現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎我們的想象，完全地模擬宇宙是一個(gè)計(jì)算量超大，無(wú)法完成的任務(wù)。量子具有不確定性，宇宙也很可能是無(wú)限的，我們也許只能在量子不確定性允許的范圍內(nèi)模擬整個(gè)宇宙的一個(gè)小部分，這種說(shuō)法似乎更容易接受一些，因?yàn)槲覀兙筒恍枰谒^的虛擬世界中生活了。

以上就是除了「大爆炸模型」之外4個(gè)其他的宇宙起源方式，每一種都很燒腦。