宇宙大爆炸那天发生了啥？怎么会从无到有，形成今天的宇宙？

　　第一个问题
　　但在我们开始之前，让我们先看看——物质是如何产生的？如果我们的目标是解释由原子或分子构成的稳定物质的起源，那么在宇宙大爆炸时肯定没有，在大爆炸之后的数十万年中也没有。事实上，我们已经非常详细地了解了当温度低至足以使物质稳定时，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较重的元素。
　　但这种理解并没有解决从无到有的问题。让我们再回想一下，物质粒子是质子和中子，它们共同构成了原子核。它们在宇宙大爆炸后大约万分之一秒就出现了。在那之前，好像真的没有任何熟悉意义上的物质。
　　但物理学让我们能够继续追溯时间线——追溯到任何稳定物质之前的物理过程。这就把我们带到了所谓的＂大统一时代＂。到目前为止，我们已经很好地进入了推测物理学的领域，因为我们无法在实验中产生足够的能量来探索当时正在进行的过程。但一个看似合理的假设是，物理世界是由短寿命的基本粒子组成的，包括夸克，质子和中子的组成部分。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＂伴侣，它与自身几乎相同，只是在一个方面有所不同。然而，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。
　　但是这些粒子最初是如何存在的呢？量子场论告诉我们，即使是一个真空——与空时空相对应——也充满了能量波动形式的物理活动。这些波动会导致粒子突然出现，然后很快消失。这听起来像是一个数学bug，而不是真实的物理现象，但其实这样的粒子已经在无数的实验中被发现。
　　时空真空状态沸腾，粒子不断地被创造和破坏，显然是＂凭空产生的＂。但也许所有这些事情真正告诉我们的是，量子真空（姑且这么叫）是一种状态，而不是＂一无所有＂。这也是哲学家大卫·阿尔伯特（David Albert）对大爆炸理论的最令人关注的质疑，显然这是大爆炸理论的需要而＂承诺＂以这种方式从无到有的。
　　量子色动力学中量子真空涨落的模拟
　　那么问题来了，时空本身从何而来？为了回答这个问题，我们可以尝试将时钟拨回更远的地方，进入真正古老的＂普朗克时代＂——这是宇宙形成的最开始的时期，以至于这时我们最经典的物理学理论都崩溃了不再适用。这个＂普朗克时代＂只发生在宇宙大爆炸后万亿分之一秒的千万分之一。
　　在物理学家的观点里，量子力学控制着粒子的微观世界，广义相对论适用于大的宇宙尺度。但要真正理解普朗克时代，我们需要一个完整的量子引力理论，将两者结合起来。
　　但可惜的是，目前还没有这样的完美量子引力理论，但已经有了一些尝试的理论——比如弦理论和环量子引力。在这些理论中，普通的空间和时间通常被视为突现的，就像深海表面的波浪一样。我们所经历的空间和时间是量子过程在更深层次微观层面上运作的产物——这些过程对于我们的宏观世界来说意义不大。
　　在普朗克时代，我们对空间和时间的理解都不再适用，因此也不能再依赖于对因果关系的常规理解。尽管如此，所有候选的量子引力理论都描述了普朗克时代发生的物理现象——普通时空的量子先驱。
　　即使因果关系不再以任何常规的方式适用，也有可能用另一种方式解释普朗克时代宇宙的一个组成部分。但是，到目前为止，即使是最卓越的物理学也无法完全提供答案，物理学迄今为止还没有发现证实的无中生有的实例。几乎从零开始循环
　　要真正回答怎么可能从无到有这个问题，我们需要解释普朗克时代开始时整个宇宙的量子态。所有这样做的尝试都是工具主义的理论。他们中的一些人像设计师一样诉诸超自然的力量。但其他解释仍属于物理学领域——比如包含无限多个平行宇宙的多元宇宙，或者宇宙的循环模型等。
　　2020年诺贝尔奖获得者、物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）提出了一个有趣但有争议的循环宇宙模型，称为＂共形循环宇宙学＂。彭罗斯的灵感来源于一个有趣的数学模型，即宇宙的一个非常热、稠密、小的状态——就像在大爆炸时那样——和一个非常冷、空、膨胀的状态——就像在遥远的未来一样。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不存在的世界。当宇宙中的所有物质都被消耗成黑洞，而黑洞又被蒸发成光子——消失在真空中时，剩下的就是这些。因此，从另一个物理角度来看，整个宇宙起源于＂某种东西＂，而这个＂某种东西＂是我们所能得到的最接近于零的东西。但是并不是什么也不是（好绕口啊）——它仍然是一个物理宇宙，无论多么虚无。
　　彭罗斯展示了冷稠密态和热稠密态如何通过重新缩放而相互关联，从而使它们与时空的形状相匹配——尽管与它们的大小无关。当两个物体的大小不同时，很难理解它们是如何以这种方式相同的——但彭罗斯认为，在这种极端的物理环境中，尺寸作为一个概念不再有意义。
　　在共形循环宇宙学中，对宇宙形成的解释方向是：热稠密态的存在是因为冷空态。但这＂因为＂并不是人们所熟悉的原因——原因是随着时间的推移而产生的结果。在这些极端状态下，不再相关的不仅仅是规模：时间也是如此。冷稠密状态和热稠密状态实际上位于不同的时间线上。从观察者的角度来看，冷空状态在其自身的时间几何学中将永远持续下去，但它产生的热稠密状态实际上占据了一个新的时间轴。
　　这可能有助于以某种非因果的方式理解冷空状态产生的热密状态。也许我们应该说，热稠密态是从冷空态中产生的，或是扎根于冷空态中的，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。在我们知识的极限下，物理学和哲学变得难以分清。有实验证据吗？
　　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，尽管是推测性的答案。但即使今后彭罗斯的观点被宇宙学的进步所证明，我们可能仍然无法回答一个更深层次的哲学问题——物理现实本身从何而来？整个循环系统是如何形成的？
　　然后，我们最终得出了一个纯粹的问题：为什么有东西而不是没有——这是形而上学最大的问题之一。
　　但重点是物理学领域内的解释。对于周期如何开始这一更深层次的问题，有三种广泛的选择。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，每个周期都是一个独立的宇宙，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，周期的开始可以用它自己的结束的某些特征来解释。后两种方法避免了任何非起因事件的需要——这给了它们独特的吸引力。没有什么是物理学无法解释的。
　　罗杰·彭罗斯提出的共形循环宇宙学中不同宇宙的持续循环
　　彭罗斯设想了一系列无穷无尽的新周期，部分原因与他自己对量子理论的偏好解释有关。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，它只是随机地＂选择一个＂。对于彭罗斯来说，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。这实际上对实验物理学家来说是个好消息，因为它可能让我们通过普朗克卫星观测到的宇宙大爆炸遗留辐射中的微弱痕迹或异常现象，瞥见产生我们这个新宇宙的＂老宇宙＂。
　　彭罗斯认为，他们可能已经发现了这些证据，将普朗克数据中的模式归因于前一个宇宙中超大质量黑洞的辐射。然而他们的观测结果受到了其他物理学家的质疑，还没有被学界认可。
　　宇宙微波背景辐射图
　　永无止境的新周期是彭罗斯理论的关键。但有一种自然的方法可以将共形循环宇宙学从多周期形式转换为单周期形式。然后，物理现实存在于一个循环中，通过大爆炸，在遥远的未来达到一个最大的空状态——然后再次循环到同一个大爆炸，再次产生同一个宇宙。
　　后一种可能性与量子力学的另一种解释一致，称为多元世界解释。多元世界解释告诉我们，每次我们测量一个处于叠加状态的系统时，这个测量并不是随机选择一个状态。相反，我们看到的测量结果只是一种可能性——在我们自己的宇宙中发生的可能性。其他测量结果都在多元宇宙中的其他宇宙中发挥作用，有效地与我们自己的宇宙隔绝。所以，不管发生某件事的几率有多小，如果它有一个非零的几率，那么它发生在一些量子平行世界中。在其他世界，有些人和你一样中了彩票，或者被反常的台风卷进云层，或者自发点燃，或者三者同时完成。
　　有些人认为，这样的平行宇宙也可以在宇宙学数据中观察到，就像另一个宇宙与我们的碰撞所留下的印记一样。
　　多元世界量子理论给共形循环宇宙学带来了新的转折，尽管彭罗斯并不同意这一点。我们的大爆炸可能是一个单一量子多重宇宙的重生，包含无限多个不同的宇宙，所有这些宇宙都同时发生。
　　一切可能的事情都会发生——然后一次又一次地发生。