🌥️ 🕋 🚸 问伊桑63号：时空的诞生 🤘🏻 👩🏿‍🔬 🥡

如果在大爆炸之前存在某种东西，这对我们宇宙的诞生意味着什么？

您可以尝试对自己撒谎。您可以告诉自己，您已经投入了所有的时间和精力。但是你知道真相-我也知道。
瓦特

自从对大爆炸理论的最大预测得到证实以来，已经过去了半个世纪，并永远改变了我们对宇宙的理解。现在，我们有了一个认识，那就是，我们可以观测到的一切都存在约140亿年的宇宙时间，而太阳和太阳系仅占这一时期的三分之一，而不是永恒和无限的宇宙的概念。这使塞巴斯蒂安在我们的专栏中提出的问题如此有趣：

时空何时开始？当我还是个孩子的时候，我知道一切的开始都是大爆炸。现在，显然，这个想法并不完全正确，因为在大爆炸之前就发生了宇宙通货膨胀，爆炸根本不是爆炸，而是宇宙更热更密的状态。如果说大爆炸之前有通货膨胀，那之前还有时空吗？

要完全回答这个问题，我们需要考虑三件事。首先是我们所指的时空。

您已经习惯了通常的空间概念-长度，宽度，高度和时间，您可以简单地将其想象为对“何时”和“何处”问题的答案。这不是一个坏主意-但是您需要了解空间和时间的两个特征，而且看起来似乎并不那么直观。爱因斯坦花了很长时间才解决，即使没有帮助他也将无法应付！

首先，正如牛顿认为的那样，空间和时间不是两个独立的实体。如果您在太空中移动，那么您的移动会改变您的时间进程，并且如果两个人以不同的速度在太空中移动-他们对时间的认识和对另一个人所花费的时间会有不同的认识。

最简单的描述发生的事情的方法甚至不是由爱因斯坦发明的，而是由数学家德国人明可夫斯基（Gink Minkowski）发明的。有必要考虑统一的时空，这里不是时空的三个维度，而是三个时空的本质。 1908年，敏可夫斯基写道：

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尽管爱因斯坦最初反对这种革命，但他对新概念的采用却带来了更大的发现。

关键不仅在于将时间和空间组合成一个时空的四维结构，而且该结构的曲率由物质和能量的存在决定。就像时空运动会影响观察者以不同方式评估经过时间和距离的方式一样，物质和能量的存在（通常情况下是曲率）也会影响对空间和时间的感知。

在最极端的物质和能量集中的例子-奇异点-违反了空间和时间的概念。

对我们来说，最常见的是将奇点作为黑洞的中心物质和能量达到任意（可能无限）密度的地方。在这种情况下，因为爱因斯坦方程给出了毫无意义的结果，所以违反了时空的概念。

要考虑的第二个问题是“大爆炸”计划。

在我们看来，今天的宇宙相对寒冷而空虚，只有数十亿年的物质，恒星，行星和生命集中的地方除外。整个宇宙金字塔，从亚原子尺度到巨大的银河星团，都归功于重力，电磁力和核力。

时光倒流，我们发现从重力的角度来看，过去的一切都更加统一，并且由于时空在不断扩大，宇宙变得更热（光的波长更短）并且密度更高。

我们可以将时间任意回溯到更高的能量，更高的温度和越来越高的密度。例如，直到以下时间：

尚未形成恒星和星系，而宇宙是一片由温暖的中性原子组成的海洋；
它太热而无法形成中性原子，而宇宙是原子核和电子的电离等离子体。
太热了，无法形成核，只有自由质子和中子。
太热了，由于粒子碰撞，所有已知粒子都产生了物质/反物质对。

您可能想进一步探究过去，了解任意密度，温度，甚至涉及与奇点相对应的事件：将整个宇宙封闭在一点上的那一刻。

如果是这样的话，那么空间和时间将从那里开始-因为没有外部空间的“位置”和外部时间的“时间”。但是，以这个位置作为宇宙真正的开端，我们将遇到大量无法解决的难题。现在，物理学告诉我们，你不能走过去，通货膨胀状态-随时间扩展的时空，以及空间本身固有的能量-居于主导地位，并导致了我们称之为大爆炸的热而密集的状态。

的确，在紧贴空间本身的能量转化为物质和辐射的那一刻，指数膨胀就停止了，这导致了我们认为过去的这种宇宙的出现。

我们想到了第三个问题，要记住奇点和大爆炸：如果在通货膨胀期间，大爆炸之前的宇宙是由指数扩展的时空组成的，那么该时空从何而来？

奇怪的是，有三个直观的答案：

宇宙可以有一个没有任何起点的起点；
它可以永远存在，就像一条在两个方向上延伸的无尽线条。
它可以是循环的，就像一个圆圈一次又一次地重复。

如果我们把大爆炸的概念不加事先通货膨胀的话，那么所有事实都说出了第一种选择：宇宙诞生于具有无限能量的“时刻”，而宇宙是在相同的“时刻”开始时空的。

但是通货膨胀改变了一切。在宇宙大爆炸时，宇宙出现了膨胀状态，而不是t = 0时的奇异性，它在不确定的时间内呈指数膨胀。

当一切都在时间t = 0（包括时空）开始时，蓝线和红线表示“大爆炸”的“传统”版本。但是在通货膨胀（黄色）的变体中，我们没有达到奇点。相反，空间可以任意小，时间可以无休止地倒退。

这样的场景更适合第二种选择，即永恒的宇宙。但事实证明，有一个陷阱。根据一个定理，通货膨胀的宇宙不可能永远存在，而必须从奇点开始。

的确，该定理是基于已知的物理定律，因此建议将其应用于物理定律停止工作的时刻。此外，尽管宇宙非常庞大，包含了很多东西，但其中的物质数量仍然不是无限的。大约有十个^90个粒子（包括光子和中微子）是在大爆炸的热态和膨胀状态期间产生的，而在膨胀的最后时刻则是在^10-30秒之前-仍然有一些我们无法观察到的东西。

不幸的是，其中包括通胀时空的起源。

不知道以上所有这些是否意味着通货膨胀的宇宙不可能永远存在，或者我们的物理学定律不适用于这个问题，或者它是有开始的，或者是周期性的……甚至可能时间是周期性的，周期随着每个周期而改变迭代。而且，尽管我们取得了长足的进步，但哲学家和神学家已经讨论了很久了以下三种可能性：时间当然是无限的，时间是周期性的。

我们只知道，如果过去有一个奇点，则与我们的炽热大爆炸无关，可观测的宇宙中的每个粒子和能量都可以追溯到这一点。

如果我们没有提出一种以某种可以接受的方式获得有关可观测宇宙存在时间的信息的方法，那么这个问题的答案可能会变得难以实现。并非“ Ask Ethan”列中的每个问题都会得到明确的答案-我们仅讨论基于所收集数据的已知问题。

问伊桑63号：时空的诞生

如果在大爆炸之前存在某种东西，这对我们宇宙的诞生意味着什么？

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