我们目前对空间和时间的理解

在日常生活中，我们对空间和时间有一种固有的认识，对于空间来说就像长、宽、高这样确切的概念，而时间则以均匀的速度不停的流逝着，并且空间和时间没有任何联系。但是时至今日，这已经是一种过时的概念，我们现在需要知道关于空间和时间的两件事，这两件事爱因斯坦也是花了很大的力气才搞明白！首先，空间和时间并不是像牛顿认为的那样是分离的概念，而是一个整体。如果我们在空间中移动，这种运动会从根本上改变我们对时间的看法，如果两个人以不同的速度在空间中移动，那么他们的时间流速就会和其他人对时间感觉不同。这就是狭义相对论。

不是三个空间维度和一个时间维度，而是一个称为时空的新四维实体，时空的统一概念并不是爱因斯坦提出来的，而是1908年，数学家闵可夫斯基的想法！虽然爱因斯坦起初反对这样的说法，但爱因斯坦的个性就是容易接受新鲜事物，最终在四维时空的基础上为我们带来了更伟大的启示。

这个想法不仅将空间和时间连接成一个统一的四维结构，即时空！而且这个四维结构的曲率是由物质和能量的存在造成的！就像在时空中的运动影响不同的观察者对时间流速和空间距离的体验一样，物质和能量的存在所造成的空间曲率也会影响观察者对时空的体验。这就是广义相对论。当物质和能量在时空中产生一个奇点，就是我们所说的黑洞，那么空间和时间的概念将在奇点处被打破，一切物理定律都将失效。

对奇点最常见的例子就是在黑洞的中心，在奇点处可以存在任意大（可能是无限大）的物质和能量密度。这种情况下，我们对时空的概念将会崩溃，因为爱因斯坦的方程给出了荒谬的结果。

这就引出了我们需要思考的第二件事：大爆炸的框架！

我们认为，今天的宇宙在大尺度上是一个相对寒冷、比较空旷的地方，当然除了在宇宙存在的数十亿年里在小尺度上形成的一些密集的物质，如恒星、行星和生命。由于引力、电磁力和核力的作用，宇宙已经形成了复杂的结构，从亚原子尺度一直到巨大的星系团。如果我们回到过去，会发现不仅过去的物质在引力分布上更均匀，而且现在变冷、膨胀的宇宙会更热（因为光波更短）、密度更大，这一切都是由于时空膨胀的本质。

对于宇宙来说，我们现在可以回溯到所能想象到的最早阶段，追溯宇宙中更高的能量、更高的温度和更高的密度。我们可以看到：

• 在任何恒星或星系形成之前有这么一个时期，那时宇宙只是一片温暖的中性原子的海洋。

• 再往前，那是一个热得根本无法形成中性原子的时代，那时的宇宙只是由原子核和电子组成的电离等离子体。

• 再往前，那是一个热得连简单原子核都形成不了的时代，自由质子和中子（还有电子和光子）支配着宇宙。

• 再往前，当密度和温度非常高的时候，粒子的碰撞就会自发地产生宇宙中所有已知粒子的物质/反物质对。

我们还能往前吗？追溯到一个密度、高温无限高，以及时空中的一个“事件”，这个“事件”也对应一个奇点：整个宇宙都集中在一个奇点上的时刻。

如果真的是这样的话，那么这个点就是空间和时间开始的地方，因为在奇点之外没有“空间”，在时间之外没有“时间”。但是，如果我们接受大爆炸奇点是宇宙真正的开端，就会有无数的谜团无法解释，例如：我们经常会问，这一切从何而来？但是现在的物理学告诉我们，我们不能任意地回到遥远的过去，只能追溯到宇宙的一种暴涨状态，一种空间本身固有能量导致的指数膨胀的时空，它先于并导致了我们所认同的大爆炸炙热、稠密的膨胀状态。也就是说它创造了大爆炸。

因为暴胀时期，所有的能量，都被束缚在空间里，最终转化成物质和辐射，指数膨胀就结束了，也给了我们一个热大爆炸状态的宇宙，也就是我们所说的早期宇宙。

那么宇宙的时空从何而来？

现在就引出了第三点，也就是最后一点，首先要牢记我们对时空和大爆炸奇点的概念：如果在大爆炸之前的宇宙由指数膨胀的时空组成，那么这个时空从何而来？有三种非常直观的选择：

• 宇宙可能有一个开端，在此之前什么都不存在。

• 宇宙可能一直都存在，就像一条向两个方向无限延伸的线。

• 宇宙可以像圆周一样循环，一遍又一遍的无限重复。

如果我们采用了旧的大爆炸理论（没有暴胀理论），那证据就支持第一种选择：宇宙是在无限、任意高能量的“时刻”诞生的，与此同时，时空也随之诞生了。然而，暴胀的宇宙告诉我们，宇宙不是在“t=0”处的奇点开始的，也不是在大爆炸发生的地方开始的，而是告诉我们宇宙开始时就存在于一个膨胀状态，或者是一个指数膨胀的状态，这种状态会持续很长一段时间。

蓝线和红线代表一种“传统的”大爆炸场景，即一切从时间t=0开始，包括时空本身。在暴涨的情况下(黄色)，我们永远不会到达奇点，在奇点中空间会变成奇异状态；空间只会在过去变得任意小，而时间却会永远向后走。所以暴胀理论似乎倾向于第二种选择：宇宙对于过去来说是永恒的。

总结：在已知的理论下，有些问题并没有准确的答案

即便如此，也存在一个问题。已知的理论告诉我们，一个不断膨胀的宇宙一定是从一个点开始的。因此暴胀的宇宙再过去看起来不完整！总得有个开始吧！

但是我们要知道，已知的物理定律，会在奇点处失效，也就是说它可能不适用于宇宙的起源问题。我们确实可以回到大爆炸的高温、高密度膨胀状态，大约10^-30秒，也就是暴胀结束的最后时刻，但是在这之前不仅是目前的理论预测还是观测，我们都不知道宇宙发生了什么！其中之一就是膨胀的时空来源！

所有这些都意味着目前的物理规则不适用于计算宇宙是否一直存在，是否有一个开端，或者是周期性的循环，这些都是未知的。甚至哲学家和神学家们考虑了几千年的问题：时间是有限的，时间是无限的，或者时间是循环的。这些目前来说都不知道。

我们唯一知道的是，如果在过去真的有一个奇点或开端，它与我们目前所知的热大爆炸没有任何关系，除非我们找到一种新的方法来获取在我们可见宇宙存在之前宇宙发生的任何有意义的信息，否则关于时空起源的答案可能会永远超出我的认知范围。因此不是每一个问题，都有答案，但这是我们目前已知的最好的答案。

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