探索大爆炸之前發生了什麽的新思潮，其實只是幾千年來理性鐘擺的最新擺動。幾乎在每壹個文明中，終極起源的問題都會讓哲學家和神學家忙個不停。它所關心的問題鋪天蓋地，著名的出現在保羅·高更的名畫1897:我們從哪裏來？我們是什麽？我們要去哪裏？這部作品描繪了出生、衰老、疾病和死亡的循環:每個人的起源、身份和命運，而這種對個體的關註直接關系到宇宙的命運。人類可以追根溯源，可以追溯自己的祖先，可以跨代，可以回到我們的動物祖先，可以追溯到生命的早期形態和最初生命，然後回到原始宇宙中的合成元素，再回到更早的空間中的縹緲能量。我們的系譜樹還能這樣沒完沒了地走下去嗎？還是會在某個地方結束？宇宙和人類壹樣，不是永恒的嗎？
古希臘人對時間的起源進行了激烈的爭論。亞裏士多德主張萬物不可生，卻站在了時間沒有起點的陣營。如果宇宙不能無中生有，那它壹定壹直存在於過去。根據這些理論，時間必須向過去和未來無限延伸。基督教神學家傾向於采取相反的觀點。奧古斯丁堅持上帝存在於時空之外，創造了時空和整個世界。有人問:上帝在創造這個世界之前在做什麽？奧古斯丁回答:時間本身就是上帝創造的產物之壹，所以沒有先前！
愛因斯坦的廣義相對論讓當代宇宙學家得出了幾乎相同的結論。廣義相對論認為空間和時間是柔軟的、可塑的實體。在大尺度上，空間本質上是動態的，會隨著時間膨脹或收縮；它攜帶物質的方式與波浪攜帶漂浮物的方式相同。在1920年代，天文學家觀察到遙遠的星系正在相互遠離，從而證實宇宙正在膨脹。然後，物理學家斯蒂芬·霍金和羅傑·彭羅斯在1960年代證明了時間不可能壹直倒流。如果在宇宙的歷史中倒退，所有的星系最終都會擠進壹個無窮小的點(稱為奇點)，這和它們掉進黑洞的意思差不多。每個星系或其前身都被壓縮到零大小，而密度、溫度和時空曲率等物理量則變得無限大。奇點是宇宙萬物的起點。超過這個極限，我們的宇宙譜系樹就不能再延伸了。
宇宙是同質的？
這個不可避免的奇點給宇宙學家帶來了壹個令人不安的嚴重問題。特別是，奇點似乎與宇宙在大尺度上的高度均勻性和各向同性相矛盾。因為宇宙在大尺度上到處都是壹樣的，信息必須以某種方式在遙遠的地區之間傳遞，以協調它們的屬性。然而，這與舊的宇宙學規範相矛盾。
具體來說，我們來想想在宇宙釋放微波背景輻射後的過去654.38+037億年裏發生了什麽:由於宇宙的膨脹，星系之間的距離增加了654.38+0000倍，而哈勃體積的半徑增加了654.38+百萬倍(因為光速超過了宇宙的膨脹速度)。我們今天看到的宇宙，很大壹部分是我們在6543.8+037億年裏看不到的。的確，在宇宙歷史上，這是第壹次來自最遙遠星系的光到達銀河系。
盡管如此，銀河系的性質和那些遙遠的星系基本相同。就像去參加壹個聚會，發現自己和十幾個朋友穿壹樣的衣服。如果只有兩個人穿壹樣的衣服，可以用巧合來解釋。但如果十幾個人穿壹樣的衣服，那很可能是他們提前約好的。在宇宙學中，這個數字不是十幾個，而是幾萬個——這是全天微波背景下的天空區域的數量，它們彼此獨立，但在統計上是相同的。
壹種可能是這些空間區域在誕生之初就被賦予了相同的屬性，換句話說，這種壹致性只是壹種巧合。然而，物理學家提出了兩種更自然的方法來擺脫僵局:讓早期宇宙要麽比標準宇宙小得多，要麽老得多。在任何條件下(或兩者兼有)，都有可能實現各種空間區域之間的互聯互通。
目前最流行的方式是第壹種方式。假設宇宙在早期經歷了壹次快速膨脹，稱為暴脹。在暴脹之前，星系或它們的前身都緊密地擠在壹起，因此它們的性質很容易協調。在暴脹階段，由於光速趕不上暴脹速度，他們失去了聯系。暴脹結束後，膨脹速度開始放緩，於是星系逐漸恢復聯系。
物理學家將膨脹釋放的能量歸因於大爆炸後大約10*-35秒，壹個新的量子場充氣機中存儲的勢能。勢能不同於靜能和動能，能產生引力排斥效應。通常的物質引力會減緩宇宙的膨脹，但暴脹會加速宇宙的膨脹。1981年暴脹理論問世，至今已解釋了許多精確的觀測結果[見1984年第9期艾倫·H·古斯和保羅·J·斯坦哈特撰寫的《爆炸的宇宙》和2004年第4期特別報道《打開宇宙的四把鑰匙》]。然而，還有壹系列潛在的理論問題沒有得到解決。第壹件事是，什麽是膨脹場？而如此巨大的初始勢能從何而來？
第二種方式是快樂？妳是不是漸漸不行了？嘿嘿？黃文彬的劍鞘加詿 蟊？ǎ?哎？貝殼的秘密是什麽？賈？啊？鈧女仆鴕鳥丫？妳想和我壹起玩嗎？敲兩下以示酡之和，5霓奔胡焉，約其旱，而無極之帽？?搜信咳嗽硬幣芽？賈魯是否記錄了他對頻率容忍的熱情？水獺？
假設相對論在推導過程中總是有效似乎是有問題的。當接近普遍公認的奇點時，量子效應必然變得越來越重要，甚至起主導作用。正統相對論並沒有考慮到這種效應，因此得出奇點不可避免的結論無疑是對相對論的過度信仰。為了找出到底發生了什麽，物理學家必須將相對論納入量子引力理論。這個任務是愛因斯坦之後物理學家們頭疼的問題。直到1980年代中期，進展幾乎為零。
弦理論的革命
現在，有兩個好方案。第壹種叫做環圈量子引力，它完全保留了愛因斯坦理論的精髓，但改變了程序以滿足量子力學的條件[見2004年第三期李·斯莫林寫的文章《量子化的時空》]。在過去的幾年裏，圈量子引力的研究者們取得了很大的進步，獲得了非常深刻的認識。然而，也許傳統理論的革命還沒有深入到解決引力量子化的根本問題。類似的問題發生在1934年，當時恩利克·費密提出了他的弱核力有效性理論，這讓粒子物理學家們很緊張。所有建立量子費米理論的努力都悲慘地失敗了。因此，真正需要的不是壹種新的分支技能，而是60年代末格拉肖、史蒂芬·溫伯格和阿蔔杜勒·薩拉姆的電弱理論帶來的根本性革新。
第二個是弦理論，我覺得更有前途。弦理論徹底改變了愛因斯坦的理論，本文將重點討論它。盡管環圈量子引力的支持者聲稱他們已經得出了許多相同的結論。
弦理論誕生於1968，這是我用來描述核子(質子和中子)及其作用力的模型。雖然壹開始引起了不小的轟動，但這個模型最終失敗了，讓位給了量子色動力學。後者用更基本的誇克來描述核子，弦理論則被拋棄。誇克被困在質子或中子中，就好像它們被橡膠繩綁在壹起壹樣。現在回想起來，原來的弦理論其實已經掌握了核世界中弦的元素。沈寂壹段時間後，弦理論通過結合廣義相對論和量子理論卷土重來。
弦理論的核心概念是，基本粒子不是點，而是無限精細的壹維實體，也就是弦。在龐大的基本粒子家族中，每壹個粒子都有自己的特性，這些特性體現在壹根弦的各種可能的振動模式中。這樣壹個看似簡單的理論怎麽能描述粒子及其作用力的復雜世界呢？答案可以在我們所謂的量子弦魔術中找到。壹旦量子力學應用到振動的弦上(就像小提琴弦壹樣，只不過其上的振動以光速傳播)，全新的性質就出現了。所有這些性質對粒子物理學和宇宙學都有深遠的意義。
首先，量子弦的尺度是有限的。如果不考慮量子效應，壹根小提琴弦可以壹分為二，再壹分為二，以此類推，直到變成壹些無質量的點粒子。但如果分割到壹定程度，海森堡的測不準原理就會介入，防止最輕的弦被分割到10*-34米以下。這個不可分割的長度量子，用ls表示，是弦理論引入的壹個全新的自然常數，與光速C和普朗克常數h並列，它在弦理論的幾乎所有方面都起著決定性的作用，為各種物理量設置上限和下限，防止它們變為零或無窮大。
其次，即使沒有質量的量子弦也可以有角動量。在經典物理學中，角動量是物體繞軸旋轉的壹種性質。角動量的計算公式是速度、質量和物體到旋轉軸的距離的乘積，所以沒有質量的物體不可能有角動量。但是在微觀世界，因為量子漲落，情況就不壹樣了。即使微小的弦沒有質量，也能獲得不超過2h的角動量。這個性質讓物理學家驚喜不已，因為它與所有已知基本力載體(如傳播電磁力的光子或傳播激發子的引力子)的性質不謀而合。回顧歷史，是角動量讓物理學家註意到弦理論包含了量子引力。
第三，量子弦需要在通常的三維之外增加額外的空間維度。古典小提琴弦可以不受時空性質的限制而振動，而量子弦則關鍵得多。要使描述量子弦振動的方程自洽，時空必須是高度彎曲的(這與觀測結果相矛盾)，否則它應該包含六個額外的空間維度。
第四，物理常數(出現在物理方程中，決定自然性質的常數，如牛頓常數、庫侖常數)不再有任何給定的固定值。它們在弦理論中以場的形式出現，就像電磁場壹樣，它們的值可以動態調整。這些場在不同的宇宙時期或遙遠的空間區域可能取不同的值；即使在今天，這些常數也可能略有變化。只要觀察到任何這樣的變化，都將是弦理論的壹大進步【相關文章即將在本刊發表】。
所謂的膨脹子場是整個弦理論的關鍵，它決定了所有力的總強度。弦論者對膨脹子特別感興趣，因為它的量級可以重新解釋為壹個額外空間維度的尺度，從而給出壹個11維度的時空。
緊固松動的頭部
量子弦讓物理學家終於認識到自然界中存在壹種新的重要對稱性，叫做對偶性，它改變了我們對尺度非常小的微觀世界的直覺。我提到了壹個二元性:通常情況下，弦越短，弦越輕，但如果我們要把弦的長度縮短到基本長度ls以下，弦又會變重。
另壹種對稱，叫做t對偶，指出所有的額外維度都是等價的，不管它們的尺度如何。這種對稱性的出現是因為弦的運動可能比點粒子的運動更復雜。考慮圓柱空間中的封閉弦(稱為圓)。這個空間的圓形截面代表壹個有限的額外維度。弦除了振動，還可以整體繞圓柱體旋轉，也可以繞圓柱體壹圈或幾圈，就像橡皮筋繞在紙筒上壹樣[見第40頁]。
在這兩種狀態下，弦的能量消耗與圓柱尺度有關。纏繞能量與圓柱體的半徑成正比。圓柱體越大，弦被拉伸得越多，因此它在纏繞中包含的能量就越多。然而，當整個弦繞圓柱體運動時，它的能量與圓柱體的半徑成反比。圓柱體越大，波長越大(相當於頻率越低)，所以能量越小。如果用大圓柱代替小圓柱，那麽兩種運動狀態可以互換角色。以前圓周產生的能量現在是纏繞產生的，以前纏繞產生的能量是圓周運動產生的。外部觀察者只看到能量的大小，看不到它的來源。對於外部觀察者來說，圓柱的半徑在物理上是等價的，與它的大小無關。
t-對偶通常用壹個圓形空間來描述(這個空間的壹維，也就是圓周是有限的)，但它的壹個變體適用於通常的三維空間，這個空間的每壹維都可以無限延伸。在談論無限空間的膨脹時要小心。無限空間的總大小不會改變；永遠是無限的。但這個空間所包含的星系等天體，彼此之間的距離卻可以越來越遠。從這個意義上說，無限空間還是可以擴展的。關鍵變量不是整個空間的大小，而是它的標度系數，即衡量星系間距離變化的數值，表現為天文學家觀測到的星系紅移。根據T對偶，尺度系數較小的宇宙等價於尺度系數較大的宇宙。愛因斯坦的方程中沒有這種對稱性；弦理論實現了相對論和量子論的統壹，這種對稱性自然脫穎而出，而膨脹器在其中起到了關鍵作用。
多年來，弦論者認為T-對偶只適用於閉弦，不適用於開弦(開弦的兩端是松的，所以這樣的弦不能纏繞。)1995，加州大學聖巴巴拉分校的joseph Polchinski認識到，如果當半徑由大變小或由小變大時，弦兩端的條件相應變化，那麽T對偶適合開弦。之前物理學家假設的邊界條件是弦的末端不受任何力的影響，可以自由左右擺動。t對偶要求這些條件成為所謂的狄利克雷邊界條件，即端點處於固定狀態。
任何給定的字符串都可以有兩種邊界條件。例如，壹個電子對應的弦的端點可能在10個空間維度中的三個維度上自由移動，但在其他七個維度上是固定的。這三個維度構成了壹個叫做狄利克雷膜(D膜)的子空間。1996年，加州大學柏克萊分校的彼得·霍拉瓦和美國普林斯頓高等研究院的愛德華·威滕提出，我們的宇宙就位於這樣壹層膜上。電子和其他粒子只能在某些維度上運動，這也解釋了為什麽我們無法欣賞到整個10維的太空風景。