科学能解释宇宙的起源吗？

人类总是喜欢追根究底而又善于提出问题，比如说生命是从何而来的？太阳为什么会东升西落？量子之间的超距作用又该怎样解释……这些问题千奇百怪，它们从简单到复杂、从具体到抽象、从微观到宏观，但它们都有一个共同点，那就是它们最终都将带领我们走向一个终极问题——宇宙从何而来？

关键要点

宇宙的故事基本上也是我们的故事。我们想知道这一切是从哪里开始的。

目前对宇宙起源的描述基于 20 世纪物理学的两大支柱：广义相对论和量子力学。

有许多问题都需要知识上的谦逊，而宇宙的起源是其中最重要的。

宇宙的起源或者说一切的开始是一个科学和宗教叙述有时会变得模糊的问题。这不是因为他们以相同的方式处理问题；而是因为显然他们没有以相同的方式解决问题。我们想知道一切是如何发生的，否则我们的故事将不完整。我们是这个宇宙的创造物，宇宙的故事基本上也是我们的故事。

上图为人类关于宇宙所观测到的一切

毫无疑问，现代宇宙学和天文学对宇宙的早期历史进行了精彩的叙述。但科学真的能提供答案吗？

和你我一样，宇宙也有生日。我们知道它始于 138 亿年前，我们可以自信地描述年轻的宇宙是如何从大爆炸后的百分之一秒开始演化的，尽管我们尚未填补历史上的一些重要空白。

这些知识是一项非凡的成就。但挥之不去的问题是科学能有多接近事实。

如果我们坚持使用生日类比，事情很快就会变得复杂。你我都有父母，我们的父母也有父母，等等。我们可以将这种连续性追溯到第一个生物体，我们称之为我们最后的共同祖先——即是一种生活在 30 亿多年前的细菌。

一旦我们找到那个祖先，我们就会面临另一个棘手的问题：如果没有任何生物诞生，这个第一个生物体是如何形成的？唯一可接受的科学解释是生命一定来自非生命。它至少在 35 亿年前起源于原始地球中存在的生物分子之间化学反应的复杂性增加。

宇宙呢？如果之前没有，又怎么会从无到有呢？

如果说生命的起源是神秘的，那么宇宙的起源就更是如此。毕竟，根据定义，宇宙包括一切。怎么可能无中生有呢？我们把希望寄托于科学。

科学的工作是在不求助于神的干预的情况下进行解释的。我们使用自然法则作为我们的蓝图。这种局限性使得描述宇宙起源对科学来说是一个巨大的概念挑战。这个问题在哲学上被称为第一因。如果宇宙是自己出现的，那么它是由一个无因的原因引起的，即它在没有先于它的来源的情况下开始存在。而科学在明确的概念界限内运作，所以为了解释万物的起源，科学需要自我解释。

目前对宇宙起源的描述基于 20 世纪物理学的两大支柱。第一个支柱是广义相对论——爱因斯坦的理论，即引力是由于质量的存在引起的空间曲率。第二个支柱是量子物理学，它描述了原子和亚原子粒子的世界。将两者结合起来是非常合理的，因为在它的婴儿期整个宇宙小到足以让量子效应变得重要。宇宙起源的当前模型——从弦理论到循环量子引力到量子宇宙学到在膨胀和收缩之间反弹的宇宙用量子物理学描述的奇异效应来解释似乎无法解释的事情。问题是他们能在多大程度上真正解释第一因？

就像放射性原子核自发衰变一样，整个宇宙可能是从随机的能量波动中出现的——一个从“虚无”中出现的空间气泡，数量物理学家通常称之为真空。

有趣的是，由于物质的正能量和引力的负能量之间的巧妙补偿，这个气泡可能是零能量的波动。这就是为什么许多为普通读者写作的物理学家自信地说宇宙来自“虚无”——量子真空就是虚无——并自豪地宣布这个案子已经结案。不幸的是，事情并没有那么简单。

这种所谓的无，即物理学家的量子真空与形而上学的完全空虚概念相去甚远。事实上，真空是一个充满活力的实体，粒子在其中像沸腾的大锅中的气泡一样出现和消失。要定义真空，我们需要从空间、时间、能量守恒、引力场和物质场等许多基本概念入手。我们构建的模型依赖于仅针对远离原始宇宙极端环境的情况进行测试的自然法则。

量子真空已经是一个极其复杂的结构。以它为起点，就是在宇宙这本“书”的第二页开始讲述宇宙的故事。

我们试图了解宇宙是如何开始的，这要求我们将已知的能量外推到比我们可以测试的高出 15 个数量级的能量（即 1000 万亿倍）。我们希望事情会变得有意义，目前我们无法预测它们不会。然而，这些关于早期宇宙的预测是基于我们可以用我们的机器测量的，并使用当前的高能物理模型。这些模型还基于我们可以测量的内容以及我们认为合理的推断。这是我们必须采取的方法，以便将知识的边界推向未知领域。但我们不应该忘记这个理论框架所依据的是什么，并声称我们确实知道如何概念化宇宙的起源。

在我看来，现在形成的科学似乎无法回答宇宙起源的问题。它可以做的是提供描述可能场景的模型。这些模型是极好的工具，我们可以使用它们将知识的界限推向更早和更早的时代，希望观察和数据能指导我们走得更远。