现代版本的创世神话
起初，超弦创造了高维膜。这只是我听过的一个故事，还有其他很多类似的故事。一些物理学家认为宇宙始于一场爆炸，另一些认为源自一次反弹，还有一些则认为宇宙最初是泡沫。有物理学家说一切都来自一片网状结构，还有人认为宇宙起源于某种碰撞、绝对寂静的永续阶段、超弦气体、五维黑洞或是一种全新的作用力。
无论如何，最终的结果都是一样的：我们身处于如今这副模样的宇宙当中。上述这些故事当中你无论采信哪一个都无所谓，这一事实本身就是一个大大的警告。如果宇宙起源是一个科学问题，我们就应该会拥有一些数据能够用于辨明究竟哪个假设才是正确的，或者至少能知道需要收集哪些数据，但是想要获得能够证伪这些现代创世神话的数据实在难如登天。这些故事的历史太过久远，天体物理学家能找到的数据实在太少，远远不足以将这堆五花八门的故事区分开来。更令人绝望的是，就我们目前所知，这样的僵局可能永远无法打破，我们可能永远无法勘破宇宙起源的真相。
我需要介绍一些背景知识，即我们是如何提出有关早期宇宙的理论的，这样你才能明白为什么我会说出这样的话。在宇宙学研究中，我们会极力搜集所有能搜集到的数据，然后寻找一个简单的解释。我们能用它计算出的数据模式越多，这个解释就越好。比如，协调模型之所以是目前公认的宇宙学标准模型，不仅是因为我们输入一些初始条件就能计算出宇宙当前的状态。如前所述，做到这一点并不难。重点在于该模型只需要很简单的初始条件——它可以做到以少释多。
协调模型是爱因斯坦广义相对论的应用之一，广义相对论认为引力是由时空弯曲引起的。具体细节我就不展开了，你只需要知道，根据广义相对论，一个充满物质和能量的宇宙会膨胀，而它膨胀的速度取决于宇宙中物质和能量的类型和数量。因此，协调模型本质上是记录了宇宙中有多少物质，我们可以从中推断出膨胀的速度。
在物理学中，我们可以使用模型回溯过去。因此，从宇宙当前的状态（宇宙不断膨胀，物质分散开来聚成星系）开始，我们可以回到过去，并推断出所有物质最初一定是被挤压到一起的。宇宙过去一定是一团炽热的、几乎完全均匀的基本粒子“汤”，我们将其中的物质称为等离子体。
等离子体只是几乎完全均匀，这一点很重要。等离子体中存在一些小团块，其密度比平均密度稍微大一些，而其他区域的密度则稍小一些。但是引力会使物质聚集起来，也就是把小团块变成大团块。虽然听起来有些不可思议，不过等离子体内部极其细微的不规则现象在长达数十亿年的发展之后，形成了整个星系。而我们今天所观察到的星系分布，可以通过演化规律直接推导出早期宇宙中等离子体内部小团块的分布。因此，只要往回拖演化规律的进度条，我们就可以利用今天对星系的观测结果来推断当时等离子体中的小团块应当是什么样的，推断它们有多大，以及它们彼此之间的距离有多远。
星系的分布并不是我们唯一可以用于推断等离子体内部情况的观测数据。等离子体中密度稍高的区域温度也较高，而密度稍低的区域则温度更低。由于等离子体的平均密度非常高，因此它是不透明的，这意味着光在发出后几乎会被立即吞噬。随着等离子体密度逐渐下降，基本粒子终于可以结合起来，形成第一个小原子核。几十万年之后，当等离子体冷却到一定程度后，原子核开始将电子束缚在自己周围，这一过程叫作复合[1]。在此之后，光不再会被吸收，复合时期的光自由地穿梭在不断膨胀的宇宙间。
随着宇宙的膨胀，光的波长被拉伸，于是其振动频率降低。由于频率与光的能量成正比，而平均能量又决定了温度，于是光的温度逐渐下降。这一时期产生的光一直存续到现在，只是其温度已经降至2.7开尔文（高于绝对零度2.7摄氏度）；它构成了如今的宇宙微波背景辐射。这个名字来源于其大约2毫米的波长，属于电磁波谱中微波的波长范围[2]。
然而，天空中各个方向的宇宙微波背景辐射温度并不完全相同。其平均温度是2.7开尔文，但各个具体区域的温度会在这个平均值附近上下浮动，幅度大约在106这个数量级。这意味着某些方向的光会稍微热一些，另外一些方向的光则稍微冷一些。宇宙微波背景辐射中的这些温度差异也可以追溯到宇宙早期等离子体内部的密度差异。
重要的是，早期宇宙等离子体的初始条件与两项观测数据都吻合：星系的空间分布以及宇宙微波背景辐射中的温度波动。因此，宇宙学的协调模型简化了我们收集的数据：它解释了为什么两种不同类型的数据会以非常具体的方式组合到一起。虽然你可以为任意演化规律设定一个相应的初始条件，使其计算结果与我们的观测结果相符，但是这往往需要你在初始条件中添加大量信息，才能使二者恰好保持一致。但相反，无论是在动力学定律还是在初始条件中，协调模型都不需要输入太多信息就可以解释几种不同的观测数据。它可以令很多事物相洽，用上一小节的话来说，它的解释力很强。
我选择了星系分布和宇宙微波背景辐射这两个特定的观测结果，是为了解释为什么说协调模型是一个质量上乘的解释。除此之外也有其他与这一解释相符的数据，比如化学元素的丰度和星系形成的方式。这些观测结果进一步巩固了协调模型的地位。
协调模型是一个相当成功的科学理论，它虽然很简单，但是却可以合理地解释大量数据。目前与我们收集到的数据吻合度最高的结果是，宇宙的所有物质中大约只有5%是由与我们相同的成分构成的；26%是散落各地的暗物质，它们是不可见的；剩下的69%则是宇宙学常数中的暗能量。
那么大爆炸与这个模型相容吗？大爆炸指的是假想中宇宙起源的一瞬间，所以它应该发生在我们先前讨论的热等离子体阶段之前。单纯从数学的角度上讲，在发生大爆炸的时候，宇宙的密度一定是无限大的。然而，密度无限大在物理上没有意义，所以这可能表明，爱因斯坦的广义相对论在密度极高的条件下失效了。因此，当物理学家提到“大爆炸”的时候，他们所说的通常不是数学上的奇点，而是未来或许能发现的更好的时空理论中，取代这个奇点的概念[3]。
不过，大爆炸并不是协调模型的一部分，因为没有任何观测数据能让我们知道在如此久远的时间之前发生了什么。问题是，如果我们继续向前倒推方程的话，等离子体的密度和温度会继续增加。最终，早期宇宙等离子体的温度和密度将会超过我们在世界上最强劲的粒子对撞机中制造的等离子体。在超出对撞机能力上限的能量下，我们就不知道物理过程是什么样的了。我们从来没有测试过这种状况，也没有从观测结果中找到过这种条件。即使在恒星内部，温度和密度也不会超出我们在地球上能够产出的最大值。现在我们所知的唯一能产生更高密度的自然变化是恒星坍缩成黑洞的过程，但是很可惜，我们无法观测这一过程的具体情况，因为坍缩隐藏在黑洞视界的后面。
这可不是我们认知范围内的一道小小缺口。大爆炸的能量至少比我们目前为止收集过可靠数据的最高能量要高出15个数量级。当然，我们还可以猜测，而物理学家也曾大胆地猜测过。
最直接的猜测就是假设协调模型的演化方程保持不变，然后我们就可以继续将进度条往回拖到没有观测数据支撑的范围内。但是15个数量级的差距犹如天堑，这种程度的猜测相当于根据脱氧核糖核酸（DNA）链尺度的情况来推算地球半径尺度的情况，装作二者之间没有什么太大的差异。这种推断无疑是经不起推敲的，在任意条件下进行这样的操作，都会导致方程走向绝路，并最终得出大爆炸的结果。这真是令人索然无味。
然而，由于缺少观测数据来给这种时间上的回溯施加限制，所以物理学家在计算更早期的宇宙时反倒可以自由地修改方程式，并编造出其他可能会发生的令人心潮澎湃的故事。这就有意思多了。比如，物理学家通常会假设，在密度增加到超出目前的实验能达到的上限后，自然界的基本作用力最终会合而为一，这就是所谓的大统一。没有任何证据表明这样的事情发生过，但许多物理学家都支持这一观点。此外，他们还提出了数百种不同的方法来改进演化方程，我不能将它们一一列举出来，但是会在下面简要陈述其中呼声最高的几个。