关于宇宙的最终归宿，物理学家布莱恩·考克斯（BrianCox）曾经这样描述过，“最后一颗恒星将慢慢冷却并消失。随着它的消逝，宇宙将再次变得空虚，没有光、没有生命或意义。”

最后一颗恒星的衰落只会是一个无限长的黑暗时代的开始。所有的物质最终都会被巨大的黑洞所吞噬，而黑洞又会蒸发成最暗淡的光芒。空间将不断向外扩展，直到暗淡的光线变得过于分散，无法相互作用。这些描述形成的理论称之为“热寂”假说理论（Heat death of the universe）。

那么宇宙又是如何诞生的呢？目前的认识是，宇宙在大约137亿年前，由一次大爆炸过程所形成。这次大爆炸的反应原理被物理学家们称为量子物理。大爆炸使物质四散出去，空间不断膨胀，后来相继出现了星系、恒星、行星乃至生命。

但是关于这个理论还是让我们觉得充满了神秘感，一个需要回答的关键问题是，大爆炸之前发生了什么？或者说是什么首先引发了大爆炸——简单来说，宇宙是如何从无到有的？

宇宙怎么可能从无到有呢

有一些研究者认为，或许在大爆炸发生之前，宇宙就已经存在了，而且可能是像终结状态那样——是一个寒冷黑暗的宇宙，可能是大爆炸的起点。而另一些研究者认为，当时的宇宙是温暖又密度很大的状态，并且在膨胀，当宇宙中发生了大爆炸后，开始进入到新一轮的演化之中。那么今天这篇文字，我们来聊一下这个有趣和神秘的问题吧。

第一种物质的产生

但在讲故事之前，让我们先看看“物质”——物理物质，是如何产生的。

物质是由原子或分子构成的稳定结构，因此在宇宙大爆炸时肯定是不存在的，即使是在之后的数十万年中也不会产生——根据我们目前已经建立起来的科学理论，当条件冷却到足以使复杂物质稳定时，第一批原子是如何由简单粒子形成的，以及这些原子后来如何在恒星内部融合成更重的元素。

我们目前所建立的关于宇宙形成的大爆炸理论（图片来源：VectorMine via Shutterstock）

然而，这个理论并没有解决和回答——宇宙是如何从无到有的问题。

所以还是从头来捋一捋，宇宙形成期最早出现的物质粒子是质子和中子，它们在宇宙大爆炸后大约万分之一秒就出现了，并共同构成了原子核。

那在这之前发生了什么呢？让我们能够继续追溯时间线，探寻任何稳定物质之前的过程。

原子核的波尔模型

这就来到了所谓的“大统一理论”时代的物理模型，这是我们到目前为止建立的相对完善的推测物理学领域的理论（因为无法使用实验方式产生足够的能量来模拟这个过程，所以推测物理学应运而生）。

这一理论认为，物理世界是由包括夸克，质子和中子等基本粒子组成的。物质和“反物质”的数量大致相等：每种物质粒子，如夸克，都有一个反物质“镜像”。当物质和反物质相遇时，它们会在瞬间湮灭，这意味着这些粒子会不断地被创造和毁灭。

这些粒子最初是如何产生的呢？根据量子场论，即使是一个真空，也充满了能量涨落形式的物理活动。这些波动会导致粒子弹出，然后很快就会消失。这听起来像是一个数学问题而非物理现象，但事实是，在无数的实验中都发现了这样的粒子。

真空量子涨落

时空真空状态正在沸腾，粒子不断被创造和破坏，显然是“凭空产生的”。但也许所有这些真正告诉我们的是，量子真空是一个物质状态，而并非真的一无所有。

零点能量概念

在此基础上，一个新的问题提出了：时空本身从何而来？为了回答这个问题，让我们继续把时钟拨回更远的地方，进入“普朗克时代”——这是宇宙历史上非常早期阶段的一个时期，只发生在宇宙大爆炸后一万亿分之一到一万分之一秒的千万分之一。此时，空间和时间本身受到量子涨落的影响。

物理学家通常分别研究控制粒子微观世界的量子力学和适用于大宇宙尺度的广义相对论。但要真正理解普朗克时代，则需要一个完整的量子引力理论，将两者结合起来。在普朗克时代，对空间和时间的常规理解都不再适用。

到目前为止，即使是最好的物理学也无法完全提供答案。除非在“万物理论”方面取得进一步进展，否则我们无法给出任何明确的答案。在这一阶段，物理学迄今为止还没有发现任何确凿的实例。

从零开始循环

要真正回答一个问题，即什么东西是如何从无到有的，我们需要解释普朗克时代开始时整个宇宙的量子态。关于这方面的研究尝试都是高度推测性的，包括多元宇宙模型，循环宇宙模型等等。

2020年诺贝尔奖获得者、物理学家罗杰·彭罗斯（RogerPenrose）提出了一个有趣但有争议的循环宇宙模型，称为“共形循环宇宙模型”。其灵感来自于一个有趣的数学联系，即宇宙的一个非常热、致密、小的状态——就像在大爆炸时那样——和宇宙的一个极端冷、空、膨胀的状态——就像其最终归宿那样。他解释这种对应关系的激进理论是，当达到极限时，这些状态在数学上是相同的。

在这种观点下，大爆炸起源于一个几乎没有任何东西的世界。这就是宇宙中所有物质被消耗成黑洞后留下的东西，而黑洞又被蒸发成光子，消失在真空中。

那么，同一个状态怎么可能即是一个冷的、空的宇宙，而从另一个角度看，又是一个热的、稠密的宇宙？答案在于一个称为“共形重缩放”的复杂数学过程，这是一种几何变换，实际上改变了对象的大小，但保持其形状不变。

彭罗斯展示了冷空态和热密态是如何通过这样的重新缩放来关联的，这样它们就可以与时空的形状相匹配，尽管与它们的大小无关。彭罗斯认为，在这种极端的物理环境中，尺寸这个概念不再有意义。

在共形循环宇宙学中，解释的方向从“古老寒冷”到“年轻炎热”：热密态的存在是因为冷空态。但它的因果关系随时间而变化。在这些极端状态下，时间可能也不再相连续。冷空状态和热密状态实际上位于不同的时间线上。从观察者的角度来看，冷空态在其自身的时间几何学中将永远持续下去，但它所产生的热密态实际上“占据了”一个新的时间轴。

也许我们应该说，热密态是从冷空态中产生的，或是基于冷空态，或是由冷空态实现的。这些独特的形而上学思想已经被科学哲学家们广泛探索，特别是在量子引力的背景下，普通的因果关系似乎被打破了。

理论的证据

共形循环宇宙学为我们的大爆炸从何而来的问题提供了一些详细的、推测性的答案。但是，即使彭罗斯的观点未来能够被宇宙学所证明，却仍然无法回答一个更深层次的问题——一个关于物理现实本身从何而来的，整个循环系统是如何产生的？

对于这一更深层次的问题，有三种可供选择的解释。这根本没有物理上的解释。或者可能存在无休止的重复周期，每个周期都是一个宇宙，每个宇宙的初始量子态都可以用之前宇宙的某些特征来解释。或者可能有一个单一的周期，一个单一的重复宇宙，这个周期的开始由它自己的结束的一些特征来解释。

彭罗斯设想了一系列无休止的新周期进行解释，这与他自己对量子理论的偏好有关。在量子力学中，一个物理系统同时存在于许多不同状态的叠加中，当我们测量它时，它只会随机“挑选一个”呈现出来。每个周期都涉及到随机量子事件，结果是不同的——这意味着每个周期将不同于之前和之后的周期。这就可以让我们通过普朗克卫星观测到的大爆炸遗留辐射中的微弱痕迹或异常现象，瞥见一些宇宙诞生的线索。

彭罗斯认为他们可能已经发现了这些线索，但是他的观测结果受到了其他物理学家的质疑。

宇宙微波背景辐射图

有一种自然的方法可以将共形循环宇宙学从多循环形式转换为单循环形式。那么，物理现实就是在遥远的将来，在大爆炸中循环到一个最大的空状态，然后再循环到同一个大爆炸，再次产生同一个宇宙。

这就是多元宇宙的解释。它告诉我们，每次测量一个处于叠加状态的系统时，这个测量并不会随机选择一个状态。相反，测量结果只是一种可能性，即在我们自己的宇宙中发挥作用的可能性。其他测量结果都在多元宇宙中的其他宇宙中发挥作用，实际上与我们自己的宇宙隔绝了。因此，无论发生某件事的几率有多小，只要不是0，那么它就会发生在某个量子平行世界中。在其他世界，人们可能会中了彩票，或者被台风卷进了云层，或者发生了别的事情。

多元量子理论给共形循环宇宙学带来了新的转折，我们的大爆炸可能是一个单一量子多元宇宙的重生，其中包含无限多个不同的宇宙，所有这些宇宙都发生在一起。一切可能的事情都会发生——然后它会一次又一次地发生。