宇宙学中的一个大问题是宇宙起源时发生了什么?天体物理学家正在一步步接近这个问题的答案——我们现在可以回顾大爆炸后的一瞬间。但在此之前发生的事情仍然难以捉摸，还有许多问题需要解决。在本期《赤裸裸的天文学》节目中，格雷哈·杰克逊带我们看看时间的起源……
在这一集里
当时间倒流
与剑桥大学休·普莱斯教授合作
时间似乎有一个向前的方向——例如，鸡蛋不会被打乱，但在物理学中，情况并非如此。格雷哈·杰克逊(grahagh Jackson)向休·普莱斯(Huw Price)讲述了物理学的这个令人困惑的特征，从时间的开始这个难题开始……
这是一个非常好的问题。许多宇宙学家现在认为……
grahagh -这是剑桥大学伯特兰·罗素哲学家休·普莱斯教授，他的研究跨越了科学和形而上学的广阔领域，包括时间哲学。
这种观点可以追溯到宇宙正在膨胀的发现(20世纪20年代的发现)。从逻辑上说，一定有一段时间，宇宙处于最小的尺寸，这就是我们现在所说的大爆炸，在大多数观点中，这是时间的开始，在那之前没有任何东西。人们常常对此感到困惑，问这样的问题:“大爆炸之前发生了什么?”但实际上，你必须明白的是，这个问题的答案是什么都没有，因为没有“大爆炸之前”。有趣的是，这个答案早在现代宇宙学之前几百年就被伟大的早期哲学家奥古斯丁理解了，我想他是公元4世纪在北非的主教他对上帝在创造宇宙之前在做什么的神学难题很感兴趣。他对这个问题的回答实际上是现代宇宙学的回答"以前没有"因为上帝创造的东西之一就是时间本身。他只是说不出上帝在创造宇宙之前在做什么，这和你在现代宇宙学的大爆炸模型中得到的答案是一样的。
Graihagh -基本上，随着大爆炸，时间被创造出来。时间在大爆炸之前并不存在，因为大爆炸创造了时间。凭借20世纪最好的物理学，阿尔伯特·爱因斯坦用他的相对论得出了非常相似的结论。
考虑时间膨胀，即质量对时间的影响。
地球的巨大质量扭曲了时间。这就是为什么轨道卫星上的时钟运行得稍微慢一些，以及为什么国际空间站上的宇航员返回时年龄稍微小一些——尽管相差不大:所以6个月后，蒂姆·皮克将比他生活在地球上时年轻大约0.007秒。你不必在太空中体验它——如果你站在一座高楼或艾尔斯岩石旁边，时间会比你站在平坦的平原上慢得多，比如在剑桥。
这是题外话，但这里的大局是空间和时间被质量扭曲了，因为在大爆炸时，宇宙中所有的质量都包含在比原子更小的东西中——一个奇点——它会使时间停滞不前。
那么，为什么时间，以及这个无限密集的奇点，没有永远保持这样呢?又是什么导致宇宙一开始处于这种状态呢?
作为一个孩子，这是我们与生俱来的因果关系。事情就是不会发生。有些事情使它们发生。即使魔术师从帽子里变出兔子，也会被怀疑是在耍花招。因此，在奇点之前一定有什么东西…对吧?
你可以给出的一个答案是，物理学告诉我们，没有因果关系这回事。我们所能做的就是描述我们在这个世界上发现的大模式，在这个模式中，在宇宙学的大爆炸模式中，事实证明，第一时刻时间——一种时间的边界——就像我们在空间中可能有一个边界一样。这是一种可能性;另一种可能性是，我们在过去和未来都寻找原因，如果是这样的话，那么这个问题的最佳答案——是什么导致了大爆炸——将是展望未来，基本上是倒推这个故事。大爆炸的发生是由后来的事物决定的。
格莱哈:你怎么能通过展望未来来发现过去发生的事情呢?
在物理学中，在基本层面上，过去和未来之间真的没有偏好。在确定性模型中，你可以很容易地在任何一个方向上运行方程，并从未来推断过去，就像你从过去推断未来一样。现在，像我们这样的生物碰巧有向后的记忆，所以我们对过去的了解比我们对未来的了解要多，很自然地，我们认为因果关系是向前发展的。这是我们思考的方向，我们对世界的行动方向，但物理学似乎表明，这更多的是我们对世界的看法的产物而不是自然界中任何基本存在的东西的产物。
Graihagh -如果我做对了…我明天做的事可能导致我昨天做的事?
嗯，从物理学的角度来看，这种看待事物的方式，和普通的看待事物的方式一样有效。在很多情况下，从人的角度看问题比从基础物理的角度看问题要好得多，从人的角度来看，有用的因果关系概念是正确的。当我们在考虑午餐吃什么什么的时候，我们会考虑下午可能会产生什么影响……但物理学并不关心这类事情。
时间的箭头
朱利安·巴伯博士，独立物理学家
时间似乎有一个明确而不可逆转的方向。这就是天体物理学家
阿瑟·爱丁顿创造的时间之箭。这是物理学中的一个大问题。所有的物理定律都表明时间是双向的——向后和向前——但在我们观察到的一切事物中，时间都是向前的。这个问题是物理学家100多年来一直在努力解决的问题，直到今年早些时候，朱利安·巴伯(Julian Barbour)做了一些建模，正如他向格雷哈·杰克逊(grahagh Jackson)解释的那样……
朱利安:如果我们是对的，也许我们已经成功地解决了物理学中真正突出的问题之一……
格雷哈——朱利安·巴伯，物理学家。
Julian:首先，这是我和我的两个合作者，Tim Kotsolvsky和Flavia Nakarti一起发表的我们附加了一个问题叫做时间之箭的起源。从伟大的奥地利物理学家Ludvic Boltsleim的时代开始，这个问题已经存在了大约120年。
Graihagh，那是他研究热力学第二定律的时候，对吧?
朱利安:没错。这是一个非常令人不满意的……
Graihagh——热力学第二定律指的是熵和宇宙的无序程度。一开始，宇宙是非常有序的——所有的东西都被挤成比原子还小的东西——但随着宇宙的膨胀，随着星系、恒星、行星、小行星甚至人类的出现，一切都变得更加复杂和混乱。热力学第二定律只是说，随着时间的推移，事物会变得更加混乱，从低熵到高熵……
问题是:我们的物理定律无法创造出热力学时间之箭所需要的低熵条件。除非你在最后加上一系列乱七八糟的方程，否则它们是行不通的，实际上，科学家们不喜欢这样。这是因为它与一个想法相联系，即有一天它们将成为一个万物理论——一个简单的方程，可以解释一切。而这个“特殊的”初始、混乱的低熵条件并不符合这个模型。
所以难怪朱利安和其他物理学家觉得这有点麻烦。
朱利安:我们有一个奇妙的自然定律，尤其是万有引力定律，这是非常不令人满意的，但我们似乎必须加上，另外，非常特殊的初始条件，才能得到宇宙的样子。因为宇宙是相当特殊的;这些过程似乎都指向同一个方向——这种非凡的单向性——所有这些箭头，都指向同一个方向。如果不做一些特别的假设，我们就无法得到这种行为，这似乎很不令人满意。
Graihagh -所以你已经建立了一个模型，可以潜在地克服具有非常特殊的初始条件的想法?
朱利安:是的，我们就是这么做的。现在，这只是第一步，但它似乎是全新的，值得注意的是，我们所做的一切，实际上是在看古老的牛顿万有引力定律。
grahagh -他们有一台超级计算机，反复模拟了1000个粒子在牛顿引力定律下的运动，而不是热力学定律。你猜怎么着?它们演化成一个低复杂度的状态，大致类似于宇宙大爆炸。因此，拉动时间之箭的是纯粹的引力，而不是热力学。
朱利安:我们由此证明的是，在牛顿理论的每一个解中，这确实发生了。有一个时间箭头，它与特殊条件没有任何关系，因为没有强加任何特殊条件。它通常有可能改变我们对时间之箭问题的整个思考方式。
这一切都很好，但这与时间的开始有什么关系，我听到你问?首先，这意味着两个未来是从一个过去演变而来的……
朱利安:嗯，解决方案实际上分为两个世界。它们在性质上相似，但在数量上不同。所以你和我不会在另一个宇宙里互相交谈——你和我在那个中心区域的这一边。可能有智慧生物——我希望我们是智慧生物——在那个中心区域的另一边谈论着时间之箭的奥秘。
grahagh -这还不是全部。如果这是真的，那么大爆炸就不是宇宙时间的开始，而是永恒宇宙的一个阶段，也就是说，没有时间的开始……
朱利安:但是，当然，我必须强调，这仍然是非常早期的。这只是一个简单的模型。基本上，如果我们在正确的方向上，我们可能能够在定律的基础上解释更多，而不需要添加任何额外的成分，比如特殊初始条件，然后是膨胀，以及特殊类型的物质和类似的东西。现在这只是一个希望，但它表明我们可能正朝着正确的方向前进。在这种情况下，这可能是一个非常大的进步，它可能会带来观察和思考宇宙的全新方式。
时间是无限的吗?
与剑桥大学休·普莱斯教授合作
时间没有起点——时间是无限的——这并不是一个全新的想法，但是，无限的想法仍然是最让人困惑的。哲学家休·普赖斯与格雷哈·杰克逊一起解开了“无限”的含义。
有宇宙学家认为大爆炸并不是真正的开始。在大爆炸之前还有其他周期，可能是膨胀和收缩的周期，在这种情况下，在大爆炸之前发生了一些事情。发生了一次大收缩，所有物质在之前的宇宙循环中没有形成所谓的奇点，而是发生了弹跳，而不是像那样坍缩，所以人们谈论的是大弹跳，而不是大爆炸。
Graihagh——在这种观点下，人们可以谈论大收缩——宇宙坍缩或再坍缩，回到一个奇点，并从另一个大爆炸开始重新形成另一个宇宙。我试着想出一个故事或类比来解释这一点，但我不认为存在这样的东西。另一方面，休有一个很好的机会……
如果你想象一个弹簧在振动它在膨胀和收缩。在这些模型中，宇宙的长期历史是这样的——它是一个反弹和崩溃的循环。
Graihagh -那么，这意味着时间是无限的如果它不断地收缩和膨胀就没有时间的开始?
是的，正是如此，我认为，这是一些人认为这种模式的一个吸引人的地方，因为你没有一个时刻是第一个被区分出来的。
Graihagh -但这又把我们带回了这个问题，是什么引起了第一次地震?
我认为正确的方式就像一系列多米诺骨牌在螺旋效应中走出去，然后敲门，他们一圈一圈地走下去，继续形成无限数量的多米诺骨牌。我觉得我很难接受的是，在某些时候，必须有一个起点，但这可能只是我人性的另一个缺陷。
嗯，是的，这可能只是我们人类的因果关系概念让我们期望的其中一件事，但是一旦我们接受了基础物理学中没有因果关系的观点，我们就应该认识到我们可以没有第一原因的想法。
物理学对时间有什么看法?
与伦敦帝国理工学院的罗伯托·特罗塔博士合作
在探索时间是否真的有起点的过程中，
格雷哈·杰克逊需要找到更多关于哪个理论与目前的宇宙学观测支持的理论相匹配的信息。罗伯托·特罗塔带着格雷哈带着千层面周游了宇宙……
罗伯托-我们知道宇宙是随着时间膨胀的因为如果我们用望远镜观察我们的周围我们观察遥远的星系，我们看到大多数遥远的星系都在远离我们因为时空的结构同时在各个方向被拉伸。但是，如果现在是这样的话，如果我们倒回去看那部电影，如果我们回到过去，你会看到所有的星系，如果我们回到过去，在过去是越来越近的。如果我们回到足够远的地方，所有的星系都聚集在一个点，这个点我们称之为大爆炸，时间零点，一个奇点。
Graihagh -那么有没有什么理论可以说明这个奇点之前是什么，或者这个奇点是如何形成的呢?
罗伯托-投机理论，是的。对于宇宙大爆炸的起源有不同的看法。其中一种可能性是，大爆炸实际上并不是大爆炸，而是宇宙历史上一个阶段的反弹。所以，与其认为时间是从大爆炸开始的，我们可以认为时间基本上是一样的。之前的宇宙会重新坍缩成一个大压缩，这有点像大爆炸，然后当它接近奇点时，它会再次反弹出来我们会经历我们自己的大爆炸。所以，这是一个循环宇宙的图像，它永远在反弹。这幅图在今天实际上是有疑问的，因为我们现在知道我们的宇宙在未来不会再次坍缩，它实际上会以不断加速的速度永远膨胀。
grahagh -我们怎么知道的?对不起。我们怎么知道我们的宇宙会再次坍缩?
罗伯特-那是因为暗能量。我们宇宙的70%是由一种未知的力或能量构成的，我们称之为暗能量，它对宇宙的主要影响是使宇宙随着时间的推移而加速膨胀。所以，今天的宇宙不仅随着时间的推移而增长，而且还在以不断加速的速度增长，不会再坍缩。我们的宇宙不会发生大的崩塌。在遥远的未来，我们宇宙的尽头将是一片黑暗，所有的星系都将关闭，所有的物质都将被黑洞吸走，宇宙将是一个非常寒冷，非常黑暗，非常无聊的地方。
Graihagh -一个有点吓人的空间。听起来像是科幻电影里的情节。
罗伯托-是的，但那是200亿年后的事了，所以没有什么好担心的。
格雷哈-所以这个理论是有疑问的。那么，还有什么其他理论更有说服力呢?
罗伯托:有些想法是相当不同的。他们有效地假设平行宇宙的存在。所以，我们的宇宙是由三个空间维度和一个时间维度组成的——所以我们所经历的是一个四维的宇宙，但如果还有一些额外的维度，我们自己实际上无法穿透，但它们可能距离我们的现实只有一毫米的几分之一。这是一个非常科幻的概念，我们可以把它做得更明显一点，更具体一点用千层面做个简单的类比。所以为什么我们不过去把千层面放到烤箱里然后我们会有一个类比，一个有趣的关于早期宇宙的类比关于推测的平行宇宙可能是什么样子。
grahagh -太好了，我已经饿了。
罗伯托-让我们给平行宇宙四分钟。
Graihagh -所以当这很快升温的时候。这是为了展示各种平行宇宙。这是一层又一层的蔬菜——因为我注意到这是一份素食千层面——然后是一层又一层的意大利面和奶酪。那么这里是什么意思呢?
罗伯特-好的。我们做的千层面是由一层又一层的意大利面构成的这些意大利面代表着不同的平行宇宙，如果你愿意的话。所以，我们自己的宇宙将是其中一层，然后被某种东西隔开，在这种情况下是蔬菜填充物，你会有其他的层，它们只是和我们一样的宇宙，但它们在第五维度上与我们分开，这就是填充物所处的维度——宇宙学家称之为体积。然后你有所有这些平行的宇宙相互叠加在一起，我们称之为平行的宇宙它们是千层面，意大利面层，我们称之为大脑。
格莱哈-啊，好吧，好吧，我明白了。所以当这个出来的时候——我很好奇——你打算用它做什么?
罗伯托:我们只是想看看，我们只是想让大爆炸发生，把两个平行宇宙混在一起，看看会发生什么。
格雷哈-所以我们要把千层面炸开?
罗伯托-是的，恐怕是一团糟。啊，准备好了。现在我们要从中间切开千层面来展示我们的平行宇宙。是的，我们可以看到大约有四五个平行宇宙，所以我只是挑出了千层面的顶层，所以这里的大脑将是我们的宇宙。如果剥开千层面的表层，我将看到另一个平行宇宙——就在它的下面，是我们的另一层千层面面片。现在的想法是，如果我们让重力穿过两层千层面，这两层意大利面就会被压在一起它们会相互吸引当它们像这样撞在一起时，它们会把所有的酱汁都溅出来这将是大爆炸。我们把它描述为我们大学的诞生，但实际上它只是两个面食层在高维宇宙中碰撞在一起。
Graihagh -所以每个平行宇宙都是这样被创造出来的吗?这种重力的渗透意味着在平行宇宙中可能会有无限的大爆炸?
罗伯托-没错，有些人把它们描述为大脑的气体。所以大脑的宇宙和房间里的原子一样多。
Graihagh -其他的宇宙，和我们的宇宙一样吗?
罗伯托-我们不知道-这是个很好的问题。它们可能与我们的宇宙大不相同。它们可能有不同的物理定律或不同的性质。当然，这是一种推测，有一些观点认为其他宇宙应该与我们的宇宙大不相同。
Graihagh -我们有什么办法可以判断或者我们有什么证据可以收集到来支持这个理论吗?
罗伯托:我在厨房里准备了另一个小实验，这个实验也许能帮助我们理解，如果不存在这样的平行宇宙，存在其他可能与我们的宇宙混合在一起的宇宙，我们是如何判断的。
巧克力球;其中一个代表我们的宇宙另一个代表另一个宇宙。现在，我们要做的是——我这里有一些浓奶油……我要把球状的球蘸一下……
grahagh -不是把它们扔了……
罗伯特-不是把它们扔了……不知怎么的，我觉得浓奶油会让它们浮起来……
格莱哈-我觉得你得先把它们搅拌一下。
罗伯托-是的。很好的观点……完美的。现在我给这两个宇宙涂上了一层奶油——全是白色的。这层白色奶油代表宇宙微阵列背景。也就是说大爆炸的残余辐射。那是大爆炸本身的发光回声我们可以用望远镜和卫星捕捉到，137亿年后的今天，我们可以在地球上观察到。我还在上面撒上巧克力粉，这里的巧克力粉代表了大爆炸遗留辐射中的不规则现象这些辐射来自奇点本身的量子涨落。现在我要小心地把这些宇宙粉碎在一起，所以，你可以看到在它们接触的这一边，奶油上留下了一点斑点....
Graihagh -哦，是的，就像那些更轻的补丁…
罗伯托-对，没错，没错，再来一次。
Graihagh——巧克力粉被擦掉的地方，下面还有奶油，这就是剩下的，对吧?
罗伯特-是的，没错。完全正确。这是早期不同宇宙碰撞留下的一种瘀伤。稍后，我们仍有可能发现这些擦伤这些擦伤是在奇点附近碰撞产生的，如果我们能做到这一点，那么也许，仅仅是也许，我们就能找到碰撞发生在时间之初的证据。
Graihagh -我们怎样才能发现那个小小的白色斑点呢?
罗伯托:这是一项具有挑战性的任务，因为，当然，还有很多很多其他的影响会在这个发光的回声上留下不同种类的斑点和斑点图案，所以这是一个有效的统计问题。它是关于分析我们在天空中看到的那些斑点，寻找早期碰撞留下的潜在瘀伤，当然，我们不知道我们在寻找什么。我们不知道那里有多少瘀伤，有多大，在天空中的哪个位置。所有这些都是完全未知的，所以这真的就像大海捞针一样。我们知道一个签名可能是什么样子的但是它有很多不同的可能性所以我们必须用统计的方式来寻找所有的可能性，看看是否有什么东西出现，在这种情况下，它可能是一个暗示，表明类似的事情在过去发生过。
Graihagh -我从你那里得知，也许最受欢迎的理论可能是平行宇宙的场景，因为它实际上是我们可以测试和观察的东西?
罗伯托:就可测试性而言，它很有希望，因为如果它留下了我们可以捕捉到的特征，即使只是在原则上，也许不是今天，不是今天的技术但如果它能在原则上被证明，那么它就成为一个可测试的理论，然后它就成为一个有趣的理论，因为我们可以出去看看我们是否可以拒绝它或可能证实它。我认为这是非常令人印象深刻的，能够说我们现在可以以高度的保真度重建宇宙的历史，从今天137亿年后的大爆炸到最开始——大爆炸后大约10的负32次方秒，非常精确。因此，剩下的有待检验的只是宇宙大爆炸后10的负32次方秒这一小段时间。所以，从某种意义上说，处于研究前沿的科学家的工作就是不断突破未知的极限，所以现在我们真正触及的是，非常困难、非常深刻、非常基本的问题。
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