[科普中國]-宇宙起源

研究經(jīng)歷

空間和時間的本質(zhì)是什么？這是從2000多年前的古代哲學(xué)家到現(xiàn)代天文學(xué)家一直都在苦苦思索的問題。經(jīng)過了哥白尼、赫歇爾、哈勃的從太陽系、銀河系、河外星系的探索宇宙三部曲，宇宙學(xué)已經(jīng)不再是幽深玄奧的抽象哲學(xué)思辨，而是建立在天文觀測和物理實驗基礎(chǔ)上的一門現(xiàn)代科學(xué)。

直到20世紀(jì)，出現(xiàn)了兩種“宇宙模型”比較有影響。一是穩(wěn)態(tài)理論，一是大爆炸理論。20世紀(jì)20年代后期，愛德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，說明宇宙正在膨脹。20世紀(jì)60年代中期，阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”。這兩個發(fā)現(xiàn)給大爆炸理論以有力的支持。

相關(guān)理論爆炸現(xiàn)代宇宙系當(dāng)中最有影響的一種學(xué)說，又稱大爆炸宇宙學(xué)。與其它宇宙模型相比，它能說明較多的觀測事實。它的主要觀點是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化歷程。在這個時期里，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從熱到冷、從密到稀的過程如同一次規(guī)模巨大的爆發(fā)。根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)的觀點，大爆炸的整個過程是：在宇宙的早期，溫度極高，在100億度以上。物質(zhì)密度也相當(dāng)大，整個宇宙體系達(dá)到平衡。宇宙間只有中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態(tài)的物質(zhì)。但是因為整個體系在不斷膨脹，結(jié)果溫度很快下降。當(dāng)溫度降到10億度左右時，中子開始失去自由存在的條件，它要么發(fā)生衰變，要么與質(zhì)子結(jié)合成重氫、氦等元素；化學(xué)元素就是從這一時期開始形成的。溫度進(jìn)一步下降到100萬度后，早期形成化學(xué)元素的過程結(jié)束（見元素合成理論）。宇宙間的物質(zhì)主要是質(zhì)子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當(dāng)溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì)，氣體逐漸凝聚成氣云，再進(jìn)一步形成各種各樣的恒星體系，成為我們今天看到的宇宙。大爆炸模型能統(tǒng)一地說明以下幾個觀測事實：

（1）大爆炸理論主張所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的，因而任何天體的年齡都應(yīng)比自溫度下降至今天這一段時間為短，即應(yīng)小于200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。

（2）觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移，而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來解釋，那么紅移就是宇宙膨脹的反映。

（3）在各種不同天體上，氦豐度相當(dāng)大，而且大都是30%。用恒星核反應(yīng)機(jī)制不足以說明為什么有如此多的氦。而根據(jù)大爆炸理論，早期溫度很高，產(chǎn)生氦的效率也很高，則可以說明這一事實。

（4）根據(jù)宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。大爆炸理論的創(chuàng)始人之一伽莫夫曾預(yù)言，今天的宇宙已經(jīng)很冷，只有絕對溫度幾度。1965年，果然在微波波段上探測到具有熱輻射譜的微波背景輻射，溫度約為3K。

大爆炸理論認(rèn)為，宇宙起源于一個單獨的無維度的點，即一個在空間和時間上都無尺度但卻包含了宇宙全部物質(zhì)的奇點。至少是在120～150億年以前，宇宙及空間本身由這個點爆炸形成。

在一次無與倫比的大爆炸中分裂成無數(shù)碎片，形成了今天的宇宙。1948年，俄裔美籍物理學(xué)家伽莫夫等人，又詳細(xì)勾畫出宇宙由一個致密熾熱的奇點于150億年前一次大爆炸后，經(jīng)一系列元素演化到最后形成星球、星系的整個膨脹演化過程的圖像，該理論存在許多使人迷惑之處。

宏觀宇宙是相對無限延伸的?！按蟊ㄓ钪嬲摗标P(guān)于宇宙當(dāng)初僅僅是一個點，而它周圍卻是一片空白，即將人類至今還不能確定范圍也無法計算質(zhì)量的宇宙壓縮在一個極小空間內(nèi)的假設(shè)只是一種臆測。況且從能量與質(zhì)量的正比關(guān)系考慮，一個小點無緣無故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量從何而來呢？

人類把地球繞太陽轉(zhuǎn)一圈確定為衡量時間的標(biāo)準(zhǔn)——年。宇宙中所有天體的運動速度都是不同的，在宇宙范圍，時間沒有衡量標(biāo)準(zhǔn)。譬如地球上東西南北的方向概念在宇宙范圍就沒有任何意義。既然年的概念對宇宙而言并不存在，大爆炸宇宙論又如何用年的概念去推算宇宙的確切年齡呢？

1929年，美國天文學(xué)家哈勃提出了星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，并推導(dǎo)出星系都在互相遠(yuǎn)離的宇宙膨脹說。哈勃定律只是說明了距離地球越遠(yuǎn)的星系運動速度越快--星系紅移量與星系距離呈正比關(guān)系。但他沒能發(fā)現(xiàn)很重要的另一點--星系紅移量與星系質(zhì)量也呈正比關(guān)系。

宇宙中星系間距離非常非常遙遠(yuǎn)，光線傳播因空間物質(zhì)的吸收、阻擋會逐漸減弱，那些運動速度越快的星系就是質(zhì)量越大的星系。質(zhì)量大，能量輻射就強(qiáng)，因此我們觀察到的紅移量極大的星系，當(dāng)然是質(zhì)量極大的星系。這就是被稱作“類星體”的遙遠(yuǎn)星系因質(zhì)量巨大而紅移量巨大的原因。另外那些質(zhì)量小、能量輻射弱的星系（除極少數(shù)距銀河系很近的星系，如大、小麥哲倫星系外）則很難觀察到，大小恒星都能看到，所以恒星的紅移紫移數(shù)量大致相等。

導(dǎo)致星系紅移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)都是在一定范圍內(nèi)圍繞一個中心按圓形軌跡運動的，不是像大爆炸宇宙論描述的從一個中心向四周作放射狀的直線運動。因此，從地球看到的紫移星系范圍很窄，數(shù)量極少，只能是與銀河系同一方向運動的，前方比銀河系小的星系；后方比銀河系大的星系。只有將來研制出更高分辨程度的天文觀測儀器才能看到更多的紫移星系。

宇宙中的物質(zhì)分布出現(xiàn)不平衡時，局部物質(zhì)結(jié)構(gòu)會不斷發(fā)生膨脹和收縮變化，但宇宙整體結(jié)構(gòu)相對平衡的狀態(tài)不會改變。僅憑從地球角度觀測到的部分（不是全部）可見星系與地球之間距離的遠(yuǎn)近變化，不能說明宇宙整體是在膨脹或收縮。就像地球上的海洋受引力作用不斷此漲彼消的潮汐現(xiàn)象并不說明海水總量是在增加或減少一樣。

1994年，美國卡內(nèi)基研究所的弗里德曼等人，用估計宇宙膨脹速率的辦法計算宇宙年齡時，得出一個80～120億年的年齡計算值。然而根據(jù)對恒星光譜的分析，宇宙中最古老的恒星年齡為140～160億年。恒星的年齡倒比宇宙的年齡大。

1964年，美國工程師彭齊亞斯和威爾遜探測到的微波背景輻射，是因為布滿宇宙空間的各種物質(zhì)相互之間能量傳遞產(chǎn)生的效果。宇宙中的物質(zhì)輻射是時刻存在的，3K或5K的溫度值也只是人類根據(jù)自己判斷設(shè)計的一種衡量標(biāo)準(zhǔn)。這種能量輻射現(xiàn)象只能說明宇宙中的物質(zhì)由于引力作用，

至于大爆炸宇宙論中的氦豐度問題，氦元素原本就是宇宙中存在的僅次于氫元素的數(shù)量極豐富的原子結(jié)構(gòu)，它在空間的百分比含量和其它元素的百分比含量同樣都屬于物質(zhì)結(jié)構(gòu)分布規(guī)律中很平常的物理現(xiàn)象。在宇宙大尺度范圍中，不僅氦元素的豐度相似，其余的氫、氧……元素的豐度也都是相似的。而且，各種元素是隨不同的溫度、環(huán)境而不斷互相變換的，并不是始終保持一副面孔，所以微波背景輻射和氦豐度與宇宙的起源之間看不出有任何必然的聯(lián)系。

大爆炸宇宙論面臨的難題還有，如果宇宙無限膨脹下去，最后的結(jié)局如何呢？德國物理學(xué)家克勞修斯指出，能量從非均勻分布到均勻分布的那種變化過程，適用于宇宙間的一切能量形式和一切事件，在任何給定物體中有一個基于其總能量與溫度之比的物理量，他把這個物理量取名為“熵”，孤立系統(tǒng)中的“熵”永遠(yuǎn)趨于增大。但在宇宙中總會有高“熵”和低“熵”的區(qū)域，不可能出現(xiàn)絕對均勻的狀態(tài)。那種認(rèn)為由于“熵”水平的不斷升高而達(dá)到最大值時，宇宙就會進(jìn)入一片死寂的永恒狀態(tài)，最終“熱寂”而亡的結(jié)局，當(dāng)宇宙膨脹到一定程度，所有星系行星會疏離，分子分解至夸克，而至更小。整個宇宙繼續(xù)膨脹，變成死寂狀態(tài)。這項預(yù)測是根據(jù)數(shù)百個A1超新星的亮度作出的。

根據(jù)天文觀測資料和物理理論描述宇宙的具體形態(tài)，星系的形態(tài)特征對研究宇宙結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，從星系的運動規(guī)律可以推斷整個宇宙的結(jié)構(gòu)形態(tài)。而星系共有的圓形旋渦結(jié)構(gòu)就是整個宇宙的縮影，那些橢圓、棒旋等不同的星系形態(tài)只是因為星系年齡和觀測角度不同而產(chǎn)生的視覺效果。

奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物質(zhì)運動形式。這種螺旋現(xiàn)象對于認(rèn)識宇宙形態(tài)有著重要的啟迪作用，大至旋渦星系，小至DNA分子，都是在這種螺旋線中產(chǎn)生。大自然并不認(rèn)可筆直的形式，自然界所有物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)都是曲線運動方式的圓環(huán)形狀。從原子、分子到星球、星系直到星系團(tuán)、超星系團(tuán)無一例外，毋庸置疑，浩瀚的宇宙就是一個大旋渦。因此，確立一個“螺旋運動形態(tài)宇宙模型”，比那種作為所有物質(zhì)總和的“宇宙”卻脫離曲線運動模式而獨辟蹊徑，以直線運動方式從一個中心向四面八方無限伸展的“大爆炸宇宙模型”，更能體現(xiàn)真實的宇宙結(jié)構(gòu)形。

還有一點，大爆炸是循環(huán)的，有科學(xué)家聲稱：宇宙將變成一個高密度、小體積的球體。縮小到一定程度后，將再次發(fā)生大爆炸。根據(jù)能量守恒定律，宇宙的能量并沒有消亡。但是，卻沒有人能解釋，大爆炸每次循環(huán)時間、空間、分子結(jié)構(gòu)等等，都是像上次一樣（幾千幾百億年以后，又有太陽系，又有地球，又有中國，又有你），還是重新排列（光憑空可以彎曲） 。

穩(wěn)態(tài)理論宇宙起源的問題有點像這個古老的問題：是先有雞呢，還是先有蛋。換句話說，就是何物創(chuàng)生宇宙，又是何物創(chuàng)生該物呢？也許宇宙，或者創(chuàng)生它的東西已經(jīng)存在了無限久的時間，并不需要被創(chuàng)生。直到不久之前，科學(xué)家們還一直試圖回避這樣的問題，覺得它們與其說是屬于科學(xué)，不如說是屬于形而上學(xué)或宗教的問題，然而，人們在過去幾年發(fā)現(xiàn)，科學(xué)定律甚至在宇宙的開端也是成立的。在那種情形下，宇宙可以是自足的，并由科學(xué)定律所完全確定。

關(guān)于宇宙是否并如何啟始的爭論貫穿了整個記載的歷史?；旧洗嬖趦蓚€思想學(xué)派。許多早期的傳統(tǒng)，以及猶太教、基督教和伊斯蘭教認(rèn)為宇宙是相當(dāng)近的過去創(chuàng)生的。（十七世紀(jì)時鄔謝爾主教算出宇宙誕生的日期是公元前4004年，這個數(shù)目是由把在舊約圣經(jīng)中人物的年齡加起來而得到的。）承認(rèn)人類在文化和技術(shù)上的明顯進(jìn)化，是近代出現(xiàn)的支持上述思想的一個事實。我們記得那種業(yè)績的首創(chuàng)者或者這種技術(shù)的發(fā)展者?？梢匀绱诉@般地進(jìn)行論證，即我們不可能存在了那許久；因為否則的話，圣經(jīng)的創(chuàng)世日期和上次冰河期結(jié)束相差不多，而這似乎正是現(xiàn)代人類首次出現(xiàn)的時候。

另一方面，還有諸如希臘哲學(xué)家亞里斯多德的一些人，他們不喜歡宇宙有個開端的思想。他們覺得這意味著神意的干涉。他們寧愿相信宇宙已經(jīng)存在了并將繼續(xù)存在無限久。某種不朽的東西比某種必須被創(chuàng)生的東西更加完美。他們對上述有關(guān)人類進(jìn)步的詰難的回答是：周期性洪水或者其他自然災(zāi)難重復(fù)地使人類回到起始狀態(tài)。

理論比較兩種學(xué)派都認(rèn)為，宇宙在根本上隨時間不變。由于人類生命——整個有記載的歷史是如此之短暫，宇宙在此期間從未顯著地改變過。在一個穩(wěn)定不變的宇宙的框架中，它是否已經(jīng)存在了無限久或者是在有限久的過去誕生的問題，實在是一種形而上學(xué)或宗教的問題：任何一種理論都對此作解釋。1781年哲學(xué)家伊曼努爾·康德寫了一部里程碑式的，也是非常模糊的著作《純粹理性批判》。他在這部著作中得出結(jié)論，存在同樣有效的論證分別用以支持宇宙有一個開端或者宇宙沒有開端的信仰。正如他的書名所提示的，他是簡單地基于推理得出結(jié)論，換句話說，就是根本不管宇宙的觀測。畢竟也是，在一個不變的宇宙中，有什么可供觀測的呢？

然而在十九世紀(jì)，證據(jù)開始逐漸積累起來，它表明地球系及宇宙是其他部分事實上是隨時間而變化的。地學(xué)家們意識到巖石以及其中的化石的形成需要花費幾億甚至幾十億年的時間。這比創(chuàng)生論者計算的地球年齡長得太多了。由德國物理學(xué)家路德維希·玻爾茲曼提出的所謂熱力學(xué)第二定律還提供了進(jìn)一步的證據(jù)，宇宙中的無序度的總量（它是由稱為熵的量所測量的）總是隨時間而增加，正如有關(guān)人類進(jìn)步的論證，它暗示只能運行了有限的時間，否則的話。

穩(wěn)恒宇宙思想所遭遇到的另外困難是，根據(jù)牛頓的引力定律，宇宙中的每一顆恒星必須相互吸引。如果是這樣的話，它們怎么能維持相互間恒定距離，并且靜止地停在那里呢？

牛頓曉得這個問題。在一封致當(dāng)時一位主要哲學(xué)家里查德·本特里的信中，他同意這樣的觀點，即有限的一群恒星不可能靜止不動，它們?nèi)繒淠硞€中心點。然而，他論斷道，一個無限的恒星集合不會落到一起，由于不存在任何可供它們落去的中心點。這種論證是人們在談?wù)摕o限系統(tǒng)時會遭遇到的陷阱的一個例子。用不同的方法將從宇宙的其余的無限數(shù)目的恒星作用到每顆恒星的力加起來，會對恒星是否維持恒常距離給出不同的答案。然后加上在該區(qū)域之外大致均勻分布的更多恒星。恒星的有限區(qū)域會落到一起，而按照牛頓定律，在該區(qū)域外加上更多的恒星不能阻止其坍縮。這樣，一個恒星的無限集合不能處于靜止不動的狀態(tài)。如果它們在某一時刻不在作相對運動，它們之間的吸引力會引起它們開始朝相互方向落去。另一種情形是，它們可能正在相互離開，而引力使這種退行速度降低。

相關(guān)說法蟲洞噴發(fā)蟲洞噴發(fā)說認(rèn)為：我們現(xiàn)在所生存的宇宙起源于一次時空之門的開啟。在許許多多平行宇宙中，有一個極其普通的平行宇宙，在這個宇宙中，質(zhì)量最大的一個黑洞的不斷地吞噬宇宙中的其他天體，它的質(zhì)量不斷增大，大到其萬有引力可以摧毀一切物質(zhì)形態(tài)，首先將其核心變?yōu)槟芰矿w，能量逐漸積蓄，最終沖破其外殼，向外釋放能量，形成蟲洞，時空之門打開。當(dāng)能量釋放完全后，蟲洞停止噴發(fā)，時空之門關(guān)閉。而噴出來的高能粒子，經(jīng)過漫長的演變后，形成了我們現(xiàn)在所生存的宇宙；那個噴發(fā)的蟲洞則變?yōu)橄惹澳莻€平行宇宙中的一個普通的天體，這也是我們不能找到宇宙的中心的原因。

新的懷疑長期以來，“大爆炸”宇宙誕生理論一直被天文學(xué)界普遍認(rèn)同

“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡本次拍攝到了一些宇宙深處的星體，這些星體大概形成于宇宙誕生后的5億年內(nèi)（約130億年前）。然而，這些星體的數(shù)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于科學(xué)家們原來的估計。

哈勃拍攝的這些照片可以說明以下二點：要么大爆炸發(fā)生后恒星物質(zhì)的形成并沒有科學(xué)家們原來設(shè)想的那么積極，這并不符合現(xiàn)階段通行的理論；

由安德魯·邦克博士領(lǐng)導(dǎo)的英國科學(xué)家小組在對哈勃拍攝的照片研究后得出了上述令人吃驚的結(jié)論。以便于解開上述這些迷惑。

根據(jù)許多科學(xué)家數(shù)十年來一貫支持的大爆炸理論，我們的宇宙大約誕生于140億年前。按照該理論的解釋，宇宙形成于140億年前一個體積極小且密度極大的物質(zhì)的爆炸，爆炸發(fā)生后噴發(fā)出物質(zhì)微粒和能量，也正是從那時起才開始產(chǎn)生了時間和空間、質(zhì)量和能量。在大爆炸發(fā)生前，既沒有物質(zhì)，也沒有能量，當(dāng)然也沒有生命。

太陽系形成太陽系是由受太陽引力約束的天體組成的系統(tǒng)，其最大范圍可延伸到約1光年以外。太陽系的主要成員有：太陽（恒星）、八大行星（包括地球）、無數(shù)小行星、眾多衛(wèi)星（包括月亮），還有彗星、流星體以及大量塵埃物質(zhì)和稀薄的氣態(tài)物質(zhì)在太陽系中，太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.8%，其它天體的質(zhì)量總和不到太陽系的0.2%。太陽是太陽系的中心天體，它的引力控制著整個太陽系，使其它天體繞太陽公轉(zhuǎn)，太陽系中的八大行星（水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星）都在接近同一平面的近圓軌道上，朝同一方向繞太陽公轉(zhuǎn)（金星例外）。宇宙有起源也會有消亡，科學(xué)家預(yù)計，若干億年后，宇宙會急劇收縮，以至于回到大爆炸以前的相貌。

最新理論據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站2013年7月16日報道，近百年來，標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)理論認(rèn)為：宇宙源于一次大爆炸而且正在不斷膨脹，這似乎已成了一個根深蒂固、顛撲不破的“真理”，他認(rèn)為，宇宙根本不是在膨脹，粒子質(zhì)量的不斷增加或可解釋為一些距離地球遙遠(yuǎn)的星系似乎離地球越來越遠(yuǎn)。

德國海德堡大學(xué)的理論物理學(xué)家克里斯托弗·維特里克在arXiv上撰文指出，他已經(jīng)構(gòu)建出了一種完全不同的宇宙學(xué)框架，在這套框架內(nèi)，宇宙并非在膨脹，而且，萬事萬物的質(zhì)量一直在增加。這一理論或許有助于科學(xué)家們理解一些有爭議的問題——比如宇宙大爆炸中出現(xiàn)的“奇點”等。

天文學(xué)家們通過分析物體的原子釋放或吸收的光來測量物體是在遠(yuǎn)離還是接近地球，這些光會以獨特的顏色或頻率出現(xiàn)。當(dāng)物體遠(yuǎn)離地球時，這些頻率會移向光譜上的紅色（低頻）。上世紀(jì)20年代，包括埃德溫·哈勃在內(nèi)的很多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系都展現(xiàn)出了這樣一種紅移，而且，星系距離地球越遠(yuǎn)，紅移越大，據(jù)此，他們認(rèn)為宇宙一定在不斷膨脹。

正如維特里克所說的那樣，原子釋放出的這種獨特的光也被組成原子的基本粒子尤其是電子的質(zhì)量所控制。如果某一原子的質(zhì)量增加，那么，其釋放出的光子的能量也會變得更高。因為能量越高，頻率越大，因此，釋放和吸收頻率將前移到光譜中藍(lán)色的部分。相反，如果粒子變得越來越輕，頻率將變成紅移。

因為光速是有限的，當(dāng)我們看著遙遠(yuǎn)的星系時，在時間上，我們是在朝后看。如果所有的質(zhì)量一直在增加，那么。因此，紅移將使星系似乎離人們越來越遠(yuǎn)，即使它們并非如此。

維特里克認(rèn)為，在名為暴脹的短期之內(nèi)，宇宙仍然在快速膨脹，在暴脹之前，宇宙大爆炸不再包含有一個宇宙密度無限大的“奇點”時刻。

這一想法聽起來似乎合情合理，但它也有一個大問題：它無法被檢驗。地球上萬事萬物的質(zhì)量最終都是相對于國際千克容器這一千克標(biāo)準(zhǔn)得出的數(shù)值。如果包括國際千克容器在內(nèi)的萬事萬物的質(zhì)量一直在隨著時間的流逝而增加，那么，我們就找不到檢驗辦法了。

而對維特里克來說，缺乏實驗測試并非大事，新模型的主要優(yōu)勢在于摒棄了困擾物理學(xué)界的宇宙大爆炸奇點。

盡管該文還沒有經(jīng)過同行評議，但有些《自然》雜志的評審專家認(rèn)為，這一想法值得深究。英國圣安德魯斯大學(xué)的天文學(xué)家趙洪生（音譯）表示：“我認(rèn)為探究另一種解釋是一件趣事。維特里克的解釋似乎很嚴(yán)謹(jǐn)，值得推敲?！?/p>

也有科學(xué)家表示，最新解釋或許可以幫助天文學(xué)家們避免落入單一思維的窠臼。英國愛丁堡大學(xué)的宇宙學(xué)家阿瓊·貝雷拉表示：“現(xiàn)在，天文學(xué)家們在追尋一個以暴脹和大爆炸為中心的標(biāo)準(zhǔn)模型。在一切蓋棺論定前，看看是否還存在另外一種解釋至關(guān)重要?！?/p>

宇宙起源有新說

宇宙起源于大爆炸？其實還有一種可能：宇宙在大爆炸之前也是存在的，只不過它一直在收縮，后來由于某種原因發(fā)生“反彈”，轉(zhuǎn)而進(jìn)入膨脹的狀態(tài)，演化為我們現(xiàn)在所知的世界1。

宇宙為什么有可能是永恒的？鑒于我們對早期宇宙缺乏了解，有這樣的疑惑也在情理之中。真正的知識應(yīng)基于實在的證據(jù)，而不僅僅是猜想。在假想的“大爆炸”后幾秒內(nèi)，宇宙就像個核聚變反應(yīng)堆，將核子轉(zhuǎn)化為氦、鋰、氘等輕元素。

今天，我們通過測量宇宙深處這些輕元素的豐度，可以觀測到這些早期反應(yīng)的結(jié)果。測量結(jié)果和廣義相對論以及傳統(tǒng)宇宙學(xué)模型的預(yù)言吻合得相當(dāng)好。早期宇宙的確極端致密，并且膨脹迅速。

那么，既然這些都是真的，更早一些時，宇宙理應(yīng)更加致密，膨脹得更快。幾乎可以肯定的是，大爆炸附近的某個時刻發(fā)生了一些意料之外的事情。會是什么呢？

**最簡單的答案是“反彈”。我們可以想像大爆炸之前，宇宙也是存在的，只不過它一直在收縮。**而其微妙之處在于，由于某種原因，宇宙沒有撞到一起變成密度無限大的詭異狀態(tài)，而是發(fā)生“反彈”，轉(zhuǎn)而進(jìn)入膨脹的狀態(tài)，演化為我們現(xiàn)在所知的世界。

說得更清楚些，這樣的反彈完全不符合我們已知的物理定律。但是作為科學(xué)家，我們承認(rèn)我們并非完全了解終極定律，特別是在與日常經(jīng)驗相去甚遠(yuǎn)的極端條件下。所以，宇宙在過去也很有可能發(fā)生反彈。

但是為什么呢？我們還是不知道，不過這并未阻礙理論物理學(xué)家通過豐富的想像力做出有理有據(jù)的猜測。有種簡單的論調(diào)：我們對引力的理解還不夠。當(dāng)然，愛因斯坦的廣義相對論通過了所有已有實驗的驗證，但是這些實驗進(jìn)行的環(huán)境與早期宇宙的極端條件完全不同。在足夠致密的條件下，引力說不定不再是引力，而變成斥力。我們沒有客觀理由來認(rèn)定它是對是錯判斷它的對錯，但這確實是一種可能。

膜宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的宇宙大爆炸模型顯示，宇宙爆發(fā)自一個密度無窮大的奇點。但是不了解是什么觸發(fā)了這場爆發(fā)：已知的物理定律不能適用。

同時科學(xué)家很難解釋如此激烈的大爆炸留下的宇宙何以擁有一個幾乎完全均勻的溫度，這是因為自從宇宙誕生以來似乎沒有足夠的時間達(dá)到溫度平衡。

對于大部分宇宙學(xué)家而言，有關(guān)一致性最合理的解釋是，在宇宙形成后不久，一些未知的能量形式使年輕的宇宙以超過光的速度膨脹。在這個模型中，三維宇宙是一張膜，漂浮在具有四個空間維度的“體宇宙”之上。

如果體宇宙包含有其自身的四維恒星，那么其中的一些恒星會塌縮，最終形成四維黑洞。這些四維恒星會像超新星一樣爆發(fā)，而它們的內(nèi)層則塌縮為一個黑洞。

在宇宙中，一個黑洞被一個名為視界的球面聯(lián)系起來。鑒于普通的三維空間需要一個兩維的物體（一個表面）來創(chuàng)建一個黑洞內(nèi)部的邊界，那么在體宇宙中，四維黑洞的視界應(yīng)該是一個三維物體—— 一種被稱為超球面的形狀。三維宇宙可能就是這樣一個膜，而膜的生長被認(rèn)為是宇宙的膨脹。

由于四維體宇宙可能在過去已經(jīng)存在了無限長的時間，因此它有足夠的機(jī)會使不同區(qū)域的四維體宇宙達(dá)到一種平衡，膜宇宙學(xué)是一個物理學(xué)上超弦理論和M理論的分支，專門研究宇宙膜，該理論認(rèn)為宇宙其實是鑲在一些更高維度的膜上。該學(xué)科同時研究那些更高維度的膜是怎樣影響著我們的宇宙。