大爆炸奇点

这是一切的开始
构成我们世界的时间、空间，能量与物质
每一条物理、化学，和它们的动力学规律

这是所有可能性的开始
每一个粒子、每一颗原子、每一粒尘埃、每一颗行星，每一座星系
太阳、月亮、星空和地球
每一次日出日落、每一段潮涨潮汐、每一个秋冬的交替，和无数的沧海桑田

这是所有故事的开始
细菌的分裂、幼苗的发芽、狮子的捕猎
人类的每个部落和文明
每一场丰收、祭祀，战争和迁徙
每一次微不足道的呼吸抑或生离死别
每一个我们所知道和不知道的故事
和那些故事中，一切的一切

我们所爱的每一个人，和她的眼睛
我们的右手，手里的玫瑰和匕首

是的，这是一切故事的开始
这是一个“奇点”

奇点（Singularity）：世界的起源

大约 138 亿年之前，某种事物出现了，它似乎开始创造时间、空间、物质和能量；根据我们现在（2023）的认知，这四个要素之间的互动也创造了宇宙中所有的物理、化学，以及生物学现象；特别的，在宇宙中我们所认知的最具复杂度的事物，即人类的历史和文明，也是这些现象在更高抽象层级上的扩展和表象。

物理描述的对象是物质、能量、空间和时间，以及它们之间的行为和影响。简单来说，时间和空间被认为是物质和能量存在的背景，并且根据广义相对论，两者被统一成“时空”概念（请注意，广义相对论中的时空是一个全新的抽象概念，它并不是时间和空间的简单组合，就好像“江湖”并不是江和湖的组合）；因此，时空也是描述物理现象和能量运动的框架。而物质则是具有质量并占据空间的实体，这些实体至少包括我们所能观测到的一切；最后，能量是由移动和形塑物质的力所构成的。根据狭义相对论，能量和物质是可以互相转化的，这也就是著名的质能公式 E = mc²，即能量等于光速的平方乘以质量。

理论物理学家将这个“诞生出”时空和质能的事物称为“奇点”，奇点是广义相对论的一个预言，也是现代科学所能讲述的最早一个故事。因为对于奇点本身和奇点之前的故事，除了猜测外，我们还无法在科学范围内给出合理描述并加以验证。

也有部分物理学家将导致空间和时间诞生的这个点称为量子真空，它具有密度无限大、能量无限高等属性。作出这样的假设并不奇怪，毕竟，在这个无穷小的空间里孕育了今天宇宙中的所有事物和现象。但是科学家们也无法分清这些现象在这个太初时刻所应遵循的规则：哪些应该遵循（描述宏观世界的）相对论？哪些又应该遵循（描述微观世界规则的）量子理论？或者还有其他人类未知的宇宙规律？

奇点发生后的宇宙温度极高（即普朗克温度，也是理论物理可以表达的温度上限），在这样的环境中，物质和能量可以相互转化。于是在这个太初时刻开始后，宇宙中的能量便开始不断聚集形成物质粒子，这些粒子也不断地再次转变成能量。另外，在这个初始点，引力、电磁力、弱作用力，和强作用力这四种基本的物理力也还没有形成（或理解为没有作用条件，比如空间为零时引力并没有意义）。后来，这四种力塑造了宇宙运行的基本法则，因为任何我们能想到的力，如推力、拉力、摩擦力、磁吸力、月球的引力、核能、原子衰变、跑步、观察，以及思考等等，这些动作或行为都是由这四种基本相互作用力的其中之一所主导的。但在奇点时刻，这些力都还没有独立存在。

奇点“启动”了时空，然后在一个量子尺度下（一个普朗克时间）诞生了我们所在的宇宙。

为什么会确定一个奇点？

“大爆炸奇点”（Big Bang Singularity）是开启整个宇宙史的事件，它在物理学上被定义为宇宙从单一点开始膨胀的时刻。简单来描述，从观测角度考虑，既然我们现在知道宇宙是不断膨胀的，那么也意味着宇宙具有变化的历史；我们回溯这个历史，那么越接近时间开始的时刻，宇宙的体积也会越趋于无穷小。而作出这个推论的理论依据则来自爱因斯坦，即“奇点”是通过广义相对论对时空的膨胀进行反演，当时间为零时得到的一个预言。

我们现在（2023）估算的宇宙时间大约是138.2亿年，虽然不可能观察到宇宙起始时刻的状况，但科学家们依照当前宇宙的状态和一系列的理论计算，还是得出了关于大爆炸奇点的一些重要信息，并进而假设了这样的一个宇宙状态。根据广义相对论的预言，我们得到了一个体积无限小、密度无限大、温度无限高，时空曲率也无限大的“点”。也许这是宇宙学中最抽象的事物，理论物理学家将其称为“奇点”。

根据理论假设，空间和时间在奇点处是统一的，也就是认为它们之间没有区别；另外，包括广义相对论和量子理论在内的任何已知的理论和规律，或者说自然界的四大基本力，在奇点处也是假设无效的。四大基本力是现代物理学所归纳出来的，它们分别是：引力、电磁力，强互作用力以及弱互作用力。我们日常所能感知的力，如浮力、张力、摩擦力、惯性力、离心力、热力，以及作用于微观粒子世界的能量或者光的传播等等，都可以用这四种基本力来解释。

相对论可以被视为描述引力的理论，但遗憾的是量子力学并不包含引力，也就是说这两大理论并没有被统一。或者说我们了解的宏观世界和微观世界，它们所遵循的规则并不一致，尽管两种理论在各自所刻画的世界中都被实践证明是有效的。广义相对论主要用于解释大尺度宇宙空间中的物理规则，即引力主导的宏观世界规则。而量子力学主要用于解释极小尺度下微观世界中物质（原子、原子核、基本粒子）的性质和属性，以及它们之间的相互作用规则。

由于目前物理学还没有一个统一的理论来解释宇宙初始时刻的状态，那时的宇宙即无法被归类为宏观，也无法被视为微观，因此只能先用一个“奇点”来作为假设了。也许随着理论物理学的发展，人类有了更完美的理论，进而能够统一这四种基本力之后，我们就不再需要“奇点”这个假设了；也许到那个时候，我还能知道奇点之前发生了什么。

不管怎样，奇点只是个科学工具而已，不要把它想得过于神秘，但人类对宇宙的探索则是永无止境的。

奇点之前是什么？

尽管物质在大尺度下的行为可以通过广义相对论中的引力予以解释，但在极小尺度（原子尺度）下，物质则具有完全不同的性质，即微观世界中的物理规律是由量子力学来解释的。但量子力学和相对论这两大物理体系之间并没有建立统一关系。

那么，对于诞生之初时那个原子尺度下的宇宙，无论是用相对论或者量子力学都无法给出描述，因为我们既可以认为奇点是无穷小的也可以认为它是无穷大的。我们只能寄期望于未来，科学家们可以构建出一套新的理论，这个理论至少需要能够把现在的量子力学和广义相对论互相结合起来，从而让我们一窥关于极小世界和极大世界之间发生变换的物理关系，也许到了那个时候，科学家们才能对奇点和奇点之前的宇宙作出更符合科学要求的描述。

目前（2023），科学家们还无法拿出一套获得广泛接受的可检验量子理论，这也让对于奇点本质的任何预言都无从谈起。因此很遗憾，奇点的定义是一个在现有认知条件下不得已而作出的选择，对于奇点本身和奇点之前的故事，除了猜测外，我们还无法在科学范围内给出合理描述并加以验证。毕竟，科学需要理论和证据，它不可能同其他一些古朴的认知方式一样随意给出断言，并宣称这种断言是唯一正确的。

空间与时间

空间和时间是一对儿异常深刻的命题，在哲学和科学领域，关于它们本质的讨论始终都是关乎如何理解这个世界的根本性挑战之一。空间与时间是否永恒存在？还是在某个瞬间突然形成的？它们是宇宙的基本构造，还是我们感知的结果？两者能否脱离彼此而独立存在？空间与时间的本质是什么？

如果时间可以停止，那么也意味着时间可以“开始”。如果空间存在变化，那么也意味着空间可以“归零”。对时空本质的思考可以帮助我们理解“大爆炸理论”背后的思想，并让我们用完全不同的眼光去看待所处的宇宙；至少我们需要知道时空并不是绝对的，因为如果我们仍然保持着一个来自直觉的“绝对时空观”，我们将不可能理解目前的大爆炸和奇点理论。

对于时间和空间，从古希腊纯粹的哲学观点一直到近代科学的可测试理论，人们对两者的认知始终在不断演变。但它们的起源与本质仍然是扑朔迷离的，因此也是考验人类智慧的最基本的问题之一。

与时间和空间一样，质量和能量也是一对儿相关性非常强的概念，因为它们之间可以互换，或者可以将质量看做是静止的能量。甚至，根据爱因斯坦的广义相对论，引力也取决于质量和能量的存在，而在大尺度下，空间与时间又会受到引力的塑造。因此，时间与空间，物质与能量，这些概念之间都是紧密关联的，对它们的关系和本质的探索也是物理学的主要工作。

在相对论诞生前的两百多年间，牛顿的绝对时空概念一直占据主导地位。牛顿还假定，光需要介质才能传播，为此物理学家们还设想出了并不存在的“以太”作为传播光的参照系，并急切的想要找到以太存在的证据。后来，麦克斯韦创立了一组解释电磁场传播的方程（这组方程也被科学家奉为最美的公式），通过这个方程可以推导出光速，并且让物理学家们了解到所谓的光其实就是电磁波的一种表现形式，它的速度是恒定的，在真空环境中约30万千米/秒。更重要的是，光在麦克斯韦体系中并不需要所谓的“以太”作为传播介质。

后来史上最著名的实验之一，即迈克尔逊-莫雷实验也间接的挑战了以太的存在，实验的结果也表明不管具体值是多少，但光速至少应该是恒定的。与此同时，通过光速恒定这个前提，爱因斯坦发现了狭义相对论，这个划时代的理论也证实了光速的不变性：即光在任何惯性参考系中的速度都是恒定的，它不受观测者自身运动的影响。这意味着无论观测者是静止的还是以任何速度相对于光源运动，他们都会测量到相同的光速。

但是我们本打算讨论时间和空间，为什么要研究光速呢？其实，光速不变这一概念具有极为深刻的物理内涵，通过光速不变，我们可以引申出时间和空间都是相对的这一事实，而对时空的测量是与观测者的运动状态有关的。观测者在不同的速度下会感知到时间和空间的拉伸和压缩，这也就是所谓的“时间膨胀”和“空间尺缩”效应。

比如让我们想象有一艘正在以接近光速飞行的宇宙飞船，飞船上有一位宇航员想要测量飞船的长度。这位宇航员选择用光作为量尺：他需要从船尾发出一束光，并记录光到达船头的时间，然后用光速乘以时间得出飞船的长度。显然，宇航员眼中看到的就是正常光速。我们还假设在飞船外的地球上还有一位（相对）静止状态的观察者，他能够清晰地看到飞船内的光尺，那么观察者看到的光尺速度应该是多少呢？根据狭义相对论，无论是宇航员还是观察者，在他们眼中光尺的速度都是不变的，即恒定的30万千米/小时。请注意，初次接触相对论时我们很容易犯错，认为观察者眼中光尺的速度应该是接近两倍光速的：因为直觉和我们日常的实际情况都告诉我们速度具有累加效应，如果把光速飞船和光尺换成低速火车和皮球，那么观察者眼中皮球运动的速度一定是火车本身的速度加上皮球相对于火车车尾的速度。那么显然，光的运动和普通物体的运动并不遵循同一个原理，因为光速没有累加效应，它永远是个常量。

但不管怎样，飞船上的宇航员和地球上的观察者仍然处于同一个宇宙，如果他们眼中的光尺相对于自己的眼睛，都保持了同样速度，那么对于观察者来说，飞船的速度哪里去了？如果飞船也确确实实的在以接近光的速度飞行，那么这个速度为什么没有被累加到光尺上？尽管非常反直觉，但爱因斯坦和狭义相对论可以完美的回答这个奇怪却异常深刻的问题。

如果光速不变，那么通过以上这个想象中的场景（或者称为思维实验）我们就可以揭示出宇宙中最大的秘密之一：即在两个参考系相对运动的情况下，两个事物之间的空间和时间是不同的。或者更简单的描述：既然光速是恒定的，那么时间就一定不是绝对的（请考虑：速度=距离/时间，而等式左侧的光速如果是恒定的30万千米/秒，那么要让等式成立，需要变化的只能是空间和时间了），也就是说，相对于不同的参考系，时间是可变的、可伸缩的和个性化的，“你的时间”和“我的时间”并不相同！同样，“你的空间”和“我的空间”也并不相同！

狭义相对论对人类的认知来说具有里程碑式的含义。牛顿的经典物理学（上一个人类认知的里程碑）认为，空间与时间是绝对的，但爱因斯坦和狭义相对论却证明了情况并非如此；时间和空间是相对的，它们相对于不同测量者的运动状态。或者说，测量者的运动状态会决定他们对空间和时间的感知，即在不同的参考系中，不同的测量者对事件发生的顺序、时间间隔和空间范围等要素，可能会有不同的看法。

那么相对于宇宙，时间和空间发生过怎样的变化？因为我们知道宇宙至少有一个变化的历史，并且宇宙曾经非常小，那么，既然宇宙不是永恒的，相对于宇宙的时间和空间又会有怎样的历史呢？这个问法很奇怪，但宇宙的历史就是时空的历史。

时间的本质

“闲云潭影日悠悠，物换星移几度秋”；“君不见，高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪”；“误落尘网中，一去三十年”；这些令人无限感慨的诗句总是会提醒我们光阴的易逝，因为其中蕴含的情感并不难体会。但“什么是时间”却是个不太好回答的问题。事实上，尽管我们对时间非常熟悉，但是却很难给出一个标准的定义。

不过，稍微提示一下即可领悟，我们将时间和固定的节奏（即周期性的变化）联系在一起。在古代，欧亚大陆人们可能需要通过观察太阳、月亮，或者星辰的位置来关联起春夏秋冬；虽然太阳在冬天夜长昼短，而月亮也有阴晴圆缺，它们的运行总有偏差，但善于观察的古人还是能够总结出一定的规律，从而发明了各种历法来记录季节的更替往复。

对于比天还小的计时单位，古人还发明了日晷，用太阳投射的阴影来作为时针以获得颗粒度更小的计时，比如中国古代的一天包含了12个时辰。

到了17世纪，意大利物理学家伽利略（又是他）偶然注意到，悬在空中的吊灯被风吹动后，会有规律地来回晃动，更进一步，他发现用绳子悬挂的物体在小幅摆动时，只要绳子长度不变，不管摆动幅度有多大，它返回原位的时间总是相同的。实际上，伽利略已经发现了单摆的“等时性原理”。

1657年，荷兰物理学家惠更斯利用伽利略的装置图，成功地制成了世界上第一台摆钟。但这种机械钟表的误差较大，可能会产生几毫秒到几十秒每天的误差。后来，人类的计时能力不断提高，1929年问世的石英钟走时误差可以被控制在0.1毫秒/天；而到了20世纪50年代，原子钟的计时精度甚至能达到2000万年不超过1秒的误差。

实际上，只要是具有固定节奏（即周期性运动）的事物都可以作为计时的工具。因此，我们可以发现“时间”反映的是物质运动变化过程的持续性。宇宙自诞生之日起，就开始了持续不断的演化过程，所有物体都在持续不断地运动变化着：光从没有停止过传播、每个原子都在不停地振动、行星在不停地旋转、恒星也在不停地燃烧，每个动物都在呼吸；从微观世界到宏观世界，万事万物无一例外，它们都在通过各种形式来不断地运动和变化，就连宇宙本身都在不断的、甚至是加速的膨胀。

时间是物质运动的属性，是一种在物理世界中可以衡量和记录物质（或事件）变化的顺序性和持续性的概念，这就是时间的本质。

假如有一天我们的宇宙万物完全静止了下来：光线不再前进、原子不再振动、生物体不再更新、宇宙不再演化，空间不再膨胀；所有的时钟也停滞了，因为不会有任何一个存在物还能活动，当然也没有任何周期性的事物运转；这似乎也意味着宇宙中所有的能量都转化成了物质（没有能量的空间是怎样的？会是奇点吗？但是大爆炸的奇点似乎没有物质的存在，这真的让本文作者愚钝的头脑难以想象），我们的世界也会进入绝对零度，在这样的条件下，时间也会失去意义而停止。

空间的本质

和时间相比，我们对空间的了解似乎更容易一些，不需要多少想象，我们认为空间就是一个三维的容器。在古代，很多文明都将这个容器等同于整个世界，上方有天堂，下方有地狱，四周则是遥远的世界尽头；甚至这个容器可能是被一只大乌龟驮在背上，或者从一条巨大的彩虹蛇嘴里吐出来。人类和其他所有动物就生活在这个容器里，和时间不同，空间本身并不会阻止我们在其中任意方向的移动。

人们对空间的度量本质上是相同的，都是用固定单位的标尺，但具体的标尺却是五花八门，有手臂的长度、脚步的距离等等。这在人们的交流很少时不会有太大问题，但是随着人类社会联系的加深，特别是到了近代，国际上就必须需要一个标准化的组织来制定一套统一的单位了，其中当然也会涉及到长度（秦汉时期统一度量衡是始皇帝的功绩之一，那也是中国最生灵涂炭的时代）。

国际上最初的统一长度单位使用了来自法国的“米”，1791年，法国科学家提出把地球子午线的四千万分之一的长度定为 1 米，并用金属铂制成了第一根标准米尺——铂杆（后来的国际米原器），于是“米”这一单位正式诞生。1889年，在第一届国际计量大会上，人们正式将“米”确定为标准国际单位制。

但就算铂杆保存得再好，原子的运动以及热胀冷缩等自然因素也会影响铂杆的精确度，所以当人们确认了真空光速的精确值为 299792458米/秒 以后，国际计量大会于1983年对米做了重新定义：“米是光在真空中经过 1/299792458 秒后所经过的行程长度”。

可以看出，空间和光速之间又有了很强的度量关系。其实这不仅仅是人为的定义，因为根据狭义相对论，不同运动速度的观察者对距离的测量结果是不同的，因此宇宙中不存在绝对空间的概念，空间与运动是密不可分的。而广义相对论则更近一步的揭示了时空的本质：时空不再被视为一个固定的背景，而是由物质和能量的分布所决定的。质量和能量的存在会使时空发生弯曲，就像在一个具有弹性的橡胶膜上放置了重物会使膜表面发生弯曲一样。

于是，现代物理学中描述的空间是一种与运动和物质息息相关的物理实体。

那么，空间能够被“创造”出来吗？这其实也是一个非常棘手的问题，如果宇宙是封闭的（下图中最右侧的球面），具有有限的体积，那么从大爆炸理论的描述来看，空间的确可以被不断生成出来，至少宇宙有一个不断膨胀的历史。但事实是，我们并不知道宇宙的结构，从目前的观测数据来看，宇宙更像是中间这样的形状。

因此，理解空间的本质（或真空的本质）仍然属于一个前沿课题。不过，在这个网站中，我们借鉴大多数理论物理学家的描述，暂时（“被迫”）将宇宙和空间理解成一个“膨胀”的实体。

质量和能量

根据狭义相对论，质量和能量本质上是同一事物的不同表现形式，更宽泛而言，我们可以将物质视作静止的能量。

在经典物理学中，质量和能量是两个完全不同的概念，它们之间没有确定的当量关系，一定质量的物体可以具有不同的能量，比如力学中有动能、势能等。从相对论角度来看，经典物理学中能量的概念是非常局限的。

在阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）的狭义相对论中，能量概念得到了推广，并且质量和能量也有了确定的当量关系：

如果物体的质量为 m，则相应的能量为E = mc²；

其中，E 表示能量，m 代表质量，而 c 则表示光速（c = 299792458m/s ）；光速是个常量，真空中大约30万公里每秒。

爱因斯坦的这个著名方程预示了我们可以通过质能转换，将极少质量的物质转换为极大的能量。因此，它史无前例的拓展了我们对宇宙的认知和理解，无论是对眼前这个世界，还是对追溯到诞生之初那亿万分之一秒的世界。比如氢弹就是在高温高压下引发核聚变，将两个氢的同位素原子聚变成其他物质（氦和中子），这个过程中会失去一些质量；不过这些质量并没有丢失而只是变换了存在形式，在氢弹爆炸时被转换为巨大的能量。而描述宇宙的起始时，奇点所讲述的无限大能量和无限小空间，也就并非完全无法理解了，因为物质作为实体需要空间，而它的能量形式则并非如此。

同样的转换还发生在太阳内部，太阳每秒的核聚变需要燃烧掉400多万吨质量的物质，这些物质转换的能量以辐射方式抛洒到茫茫太空。在这些能量中，最后得以被地球接收的只占总量的22亿分之一；其中，在这极少的份额中，最终只有万分之一的能量被人类所利用；换言之，人类对太阳能的利用率只有22万亿分之一。而就是这极少份额的太阳质量（主要是氢）所转换的能量，驱动了整个人类社会的演化和发展。

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