“宇宙大爆炸”之前有什么？英国科学家有了一个答案

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哈勃眼中的宇宙。NASA / ESA

宇宙大爆炸理论认为，宇宙诞生自一个“奇点”，时空有它的起点。于是人们又常常会冒出这样一个念头：宇宙在“大爆炸”之前是什么样的？但是如果我们根据相对论是得不到答案的，因为“奇点”的出现，意味着相对论在这种情况下是失效的。

量子力学在描述微观世界方面取得了很大成就。于是很多科学家想要把相对论和量子力学结合起来，发明一种所谓的量子引力论，用来解释这个宇宙中用相对论无法解释的两个最大的谜：黑洞的内部和宇宙的起点。这样的理论又被称为“万物理论”，衍生出很多版本，但是迄今为止，没有一种具有实质上的可信力。

为了解决这一矛盾，英国利物浦大学的物理学家Bruno Bento在一种新奇的理论：“因果集合论（causal set theory）”的基础上进一步发展，试图通过重新定义时空的本质，来探讨时间及宇宙的起源问题。

按照通常的理解，时空是连续的。在连续的时空中，时空中的两个点是可以无限靠近的。但是“因果集合论”认为，时空并不是连续的，而是可以分为无数个极小的基本单位。我们可以称这些时空的基本单位为“时空原子”。“时空原子”的存在导致时空中的两个点不能无限靠近，“时空原子”的尺度是时空中两个点靠近的极限。

这就好比我们观察电脑屏幕，会发现屏幕上的图像其实是由一个个像素点组成的。因此图像中任意的两个点之间的距离，永远都不可能小于一个像素点的宽度。

Bruno Bento认为，“因果集合论”不仅仅可以探讨时空的本质，还可以为人们研究时间所扮演的角色，以及时间的流逝究竟意味着什么，过去意味着什么，未来是否存在等问题提供一个新的思考方向。

“因果集合论”认为，时间的流逝是一种物理性的表现，而不是幻觉或人脑的想像。在“因果集合论”中，一个“因果集合”还可以放大某一时刻的“时空原子”，并使之变得越来越大。

因为“因果集合论”中的时空存在最小尺度，所以时空就不可能变得无限小，“奇点”也就不可能出现了。而“奇点”一旦不存在，宇宙的起点也就不存在了。

虽然在“因果集合论”的原始版本中，现代宇宙这个“因果集合”是从无到有产生的。但是在Bento的版本中，“大爆炸”并不是一个起点，而是拥有一个无限的过去。

宇宙一旦没有起点，一直都存在着，那么我们所知的“大爆炸”，就只是宇宙这个永恒存在的“因果集合”在其演化过程中的一个特殊时刻。“宇宙大爆炸”之前这个问题也变得有意义了。

目前还不知道这个理论是否能够和当前用来描述大爆炸后宇宙演化的理论相容。但是研究人员相信，这样一种框架至少在数学的层面上是可行的。

参考

If time had no beginning

https://arxiv.org/abs/2109.11953