若你向大多數宇宙學家問及我們這一領域目前所在何處，他們會告訴你，我們身處人類歷史中一段非常特殊的時期。得益于科學技術的眾多進步，我們能夠以前所未有的方式觀察到非常遙遠又非常早期的宇宙。比如，我們可以獲得宇宙幼年時期的浮光掠影，那時第一批原子正在形成。我們還可以獲得宇宙青春期的剪影，那時第一批恒星和行星正在孕育中。現在我們更是能夠獲取宇宙完整、詳細的三維圖像。綜合上述這些在人類歷史上首次獲得的各種信息，你可以得到一系列關于任何宇宙演化模型的嚴格限制。

回顧20世紀90年代早期關于宇宙演化的各種理論，我們近10年獲得的數據已將它們一一排除，只剩下一種被視為共識的模型。這一模型結合了20世紀20年代至40年代發展起來的大爆炸模型、20世紀80年代由阿蘭·古斯提出的暴脹理論，以及我將簡要討論的最近一項修正。這一共識理論與我們現在對宇宙的觀測結果高度一致。因此，許多宇宙學家認為，我們終于確定了宇宙的基本歷史。

但我有一種頗為不同的觀點，這一觀點受到了兩件事的啟發。第一件事就是我前面提到的最近一項修正。我必須說明的是，這項修正不僅僅是一項修正，更是對我們關于時間和宇宙歷史相關概念的一次顛覆。第二件事是，近年來我從事的一項將宇宙歷史搞得七零八落的替代理論的研究：所有創造了宇宙重要特征的事件以不同的順序、不同的物理學機制，在不同的時間，以不同的時間尺度發生。并且到目前為止，這一模型似乎還能高度再現共識圖景的所有成功預言。

這一圖景與共識圖景的關鍵區別可以歸結到時間的本質上。標準模型，或者說共識模型，假定時間有起點，也就是我們常說的大爆炸。根據此模型，由于某些我們不甚明了的原因，宇宙突然從無到有，充滿物質與能量，并在過去的150億年持續膨脹和冷卻。在替代模型中，宇宙是無限的。時間是無限的，過去無始，未來無終。事實上，貫穿宇宙演化的進程，三維空間始終無限。

更具體些，這一模型提出了一個以循環形式演化的宇宙。也就是說，宇宙經歷了從熱到冷，從致密到稀疏，從熱輻射到我們今日所見的結構，并最終成空無的演化時期。接著，一系列事件發生，循環再次開始：空無宇宙再次被注入能量，形成了一個膨脹與冷卻的新時期。這一過程永恒周期性地重復。我們現在所見證的僅僅是最近的一次循環。

循環宇宙的概念并不新穎。在有記錄的歷史中，人們早已思考過這個想法。例如，古印度有一套詳盡的基于循環宇宙概念的宇宙學。他們預言，一次循環會持續86.4億年，這是一個具有三位有效數字精度的預言。這令人印象極為深刻，尤其是他們當時可沒有量子力學，也沒有弦理論！與之不同，我認為應該是數萬億年而不是數十億年。

在西方思想中，“循環”的概念也是反復出現的主題。例如，埃德加·愛倫·坡（Edgar Allan Poe）和尼采都有各自的循環宇宙模型。在相對論宇宙學的早期，愛因斯坦、亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）、喬治·勒梅特（Georges Lema?tre）和理查德·托爾曼（Richard Tolman）也曾對循環的想法抱有興趣。循環的概念吸引了如此多人的原因顯而易見：如果宇宙有起點，你就不得不解釋它為什么會開始、在什么條件下開始。如果你的宇宙是循環的、永恒的，那就不必解釋起始問題了。

在將循環概念帶入現代宇宙學的嘗試中，若干技術難題被發現于20世紀20年代和30年代。那時的想法是，三維宇宙在時間輪回中的經歷始于大爆炸的膨脹時期，又反轉到終結于大擠壓（Big Crunch）的壓縮時期。宇宙反彈，膨脹再次開始。難題之一是，每次當宇宙擠壓到極限，它的密度和溫度就會提升到一個無限大的值，通常的物理學定律是否適用也難以明了。

其次，每一次膨脹擠壓循環都會通過自然熱動力學過程創造熵，并添加到更早循環的熵。所以，每次循環開始時的熵密度都會比前一次更高。事實證明，一次循環的持續時間與熵密度息息相關。如果熵增加，持續時間也會相應增加。因此，隨著時間流逝，每次循環的持續時間都會比上一次長。但問題是，反推時間，每次循環的時間會變得越來越短，直到經過一個有限的時間，持續時間縮減到零。這樣，起始難題還是沒能避免，只是推遲了有限的循環次數。如果我們想要再次引入循環宇宙的概念，就必須解決這兩大難題。為此，我即將描述的循環宇宙模型便應用了一些新想法。

為了理解尋找替代模型的重要意義，我們要先深入了解下共識模型。不可否認的是，共識模型的某些方面非常吸引人，然而我要強調的是，共識模型還是不夠簡單明了。尤其是最近的觀測發現迫使我們去修正它，使其變得更加復雜。因此，我先從共識模型的綜述開始說起。

共識理論以大爆炸為起點：宇宙有初始。過去50年內，人們將此作為一項標準假設。但我們現在還不能用任何物理學定律來證明這一點。此外，它不得不假設宇宙的初始能量密度低于臨界值。否則，宇宙將會在進入下一個演化階段（暴脹期）前停止膨脹并再次坍縮。還有，要進入暴脹階段，還必須存在某種能量來驅動暴脹。一般而言，這種能量被假定為暴脹場。該理論還不得不假定，在起始值低于臨界密度的宇宙各部分中，以暴脹能量的形式儲存著一股不可忽視的能量。這股能量最終充滿宇宙并開啟加速膨脹期。上述假設都可以說是合理的，但假設也僅僅是假設。將這些假設考慮在內，我們才能更好地比較共識模型與它的挑戰者。

假設這些條件全部滿足，暴脹能量在瞬間超越質量和輻射。暴脹期開始，宇宙急劇加速。許多奇跡似的事情因暴脹完成：宇宙變得均勻和平坦，又留下了那么一些不均勻，進而成為星系的種子。而后宇宙又在合適的條件下準備進入下一個演化階段。根據暴脹模型，暴脹能量衰退成物質與輻射組成的高溫氣體。過了差不多一秒鐘，第一批輕原子核由此產生。又是數萬年過去，緩慢移動的物質主宰了宇宙。就在這些階段中，第一批原子誕生，宇宙變得透明，宇宙的結構——第一批恒星、星系形成了。目前為止，一切還相對簡單。

最近的發現告訴我們，我們已進入了宇宙演化的新階段。恒星和星系形成后，奇怪的事情發生了，這些事情導致宇宙的膨脹開始再次加速。在宇宙由質量和輻射主宰，并逐漸形成結構的過去150億年中，由于物質和輻射的自引力吸引效應與對宇宙膨脹的對抗效果，宇宙的膨脹是在減速的。直到不久前，物質和輻射還依然被認為是宇宙的主導能量形式，而減速也將永久地持續下去。

然而，最近的觀測結果卻并非如此：宇宙膨脹正在加速。這意味著，宇宙中的大部分能量既非物質也非輻射，而是一種超越了物質和輻射的能量。因為缺少相應的術語，我們稱之為暗能量。與我們熟悉的物質與輻射不同，暗能量具備自引力排斥效應。這就是導致宇宙加速膨脹而非減速的原因。在牛頓的引力理論中，所有質量都是引力吸引的，但愛因斯坦的理論則允許引力排斥的能量存在。

我認為，無論是物理學家、宇宙學家，還是大眾，都沒有真正理解這一發現的意義。從整個歷史的角度來看，這是一場“哥白尼”式的革命。“革命”一詞可以說源自哥白尼，他改變了人類關于空間、關于人類在宇宙中位置的認知，這是哥白尼的重要貢獻。通過證明地球繞太陽旋轉，哥白尼引發了一連串的思考，讓人們明白人類所處的地球在宇宙中并無特殊之處。而現在，關于時間的本質，我們發現了一件很奇怪的事，即我們所處的位置并無特殊，但我們所處的時間卻非同尋常。在這一時間中，宇宙膨脹由減速轉為加速；曾主宰宇宙的物質和輻射迅速變得無關緊要；宇宙結構由向更大尺寸形成轉變為停止形成。我們剛好處在兩大演化階段轉化過程之間。正如哥白尼的地球不是宇宙中心的假設引發了一連串思想“地震”，最終改變了我們關于太陽系乃至整個宇宙的概觀理解一樣。毫無意外，宇宙加速膨脹的發現也許會完全改變我們對于宇宙歷史的看法。這正是我們考慮替代模型的一大動因。

了解了共識模型之后，讓我們再將目光投向循環宇宙假設。由于它是循環式的，所以我可以從我任意選取的點開始討論。為了更具有對比性，我將從類似“大爆炸”的點開始說起，我稱其為“爆炸”。在這一點上，宇宙在一次循環中便達到了溫度和密度的最高值。與大爆炸模型不同的是，在這一情境下，溫度和密度并不是發散的，而是有一個有限大的極值。盡管這一溫度極高，可以達到約1020開爾文，足以將原子和原子核蒸發成它們的基本組分，但還未高至無窮。不僅如此，它事實上也遠低于量子引力效應占據主導地位的普朗克能標（Planck energy scale）。爆炸之后，宇宙直接進入了一個由輻射主導的階段。由于此圖景下沒有標準模型所具備的暴脹理論，我們仍需解釋宇宙為何是平坦而均勻的，仍需解釋導致了星系形成的漲落又來自何方。與早期暴脹解釋不同，在這里我將用循環宇宙中另一不同階段來回答這些問題。

在循環宇宙模型中，宇宙直接進入輻射主導階段并如常形成核豐度，然后直接進入物質主導階段，原子、星系和大尺度星系皆誕生于此，緊接著的則是一個由暗物質主導的階段。暗物質在標準模型中“入侵”，為使理論和觀測相符，我們不得不把它加進來。而在循環宇宙模型中，暗物質則是將要或者說正在驅動著宇宙以循環形式演化的核心要素。暗能量主導宇宙后做的第一件事就是我們現如今看到的：加速宇宙膨脹。為什么這一點至關重要？因為盡管這種加速比暴脹導致的加速慢了100個量級，但只要時間充足，最終仍能獲得與暴脹相同的結果。隨著時間流逝，這種膨脹使物質和輻射變得日益稀薄，令宇宙漸趨均勻和各向同性，并最終進入真空態。

賽斯·勞埃德曾說，我們的視界內有1080～1090個比特，但如果縱觀萬億年宇宙，你會發現，平均起來你的視界內沒有或者不到一個比特。事實上，當計數比特時，我們應意識到宇宙在加速膨脹，計算機實際上在失去我們視界內的比特。這就是我們觀測到的東西。

宇宙在變得均勻且各向同性的同時，它也在變得平坦。可以想象，如果宇宙存在任何彎曲，即使這個過程很慢，膨脹也終究會將其扯平。如果一直這樣下去，就沒什么好說的了。但在這一情景下，暗能量僅存在于一個有限的時期引發了一系列事件。這些事件最終導致引力能轉化為新的能量和輻射，使得宇宙開始了新一輪的膨脹。從局部觀察者的視角看，這正像是宇宙經歷了一次循環；也就是說，看上去像是宇宙每輪清空，然后新的物質和輻射產生并引發新一輪膨脹。在此意義上，這就是一個循環宇宙。如果從能看見整個宇宙的全局觀察者的角度看，就會發現，在這個理論中，我們的三維空間是永恒且無限大的。物質在各個階段被創造后會變稀薄，不管我們看不看得到。從局部看，宇宙像是在循環；而從整體看，宇宙是在穩定地演化，熵在這種演化的時間和空間中隨著循環不斷增多。

我們可以用很多種方式描述這個過程。我的選擇是一種由超弦理論給出的非常漂亮的集合圖景。我們只會使用非常基礎的超弦理論，這樣除了一些我多次提到的奇怪事情之外，你不需要了解超弦理論，也能理解我將要說的話。它們就在那兒，只等著我們去加以運用了。

超弦理論的理念之一是，其他額外維度，是使其自身在數學上連貫一致的必要基礎。尤其是在其中一種構想中，宇宙共有11個維度，其中6種卷曲成微乎其微的小球，小到為了講述我的理論，我可以假裝它們并不存在。我要考慮的是三維空間、一維時間，以及一維額外維度。在這一圖景中，我們熟悉并穿梭其中的三維空間，沿著一層超曲面或者說一層薄膜存在。這層薄膜是額外維度的邊界。在另一邊，則還有一層薄膜邊界。額外維度就存在于這邊界之間的特定區間內。這就好像我們處在一個夾著空間總體積（bulk volume of space）的三明治的一端。三明治的表面則被稱為軌形（orbifolds）或膜（branes）。這些膜是具備物理性質的。它們有能量和動量，當被激活時會產生夸克和電子之類的東西。我們就是在這些膜之上，由夸克和電子組成的。由于夸克和輕子只能沿著這些膜運動，所以我們被限制在只能看到和移動于膜上的三維空間內。我們無法直接觀察到整體或者其他膜上的任何物質。

在循環宇宙中，每過數萬億年，兩層膜就會碰撞在一起。相應創造了各種產物——粒子和輻射。碰撞同時加熱了膜，因此它們又再次分開。這些膜之間受到一種如同彈簧力一樣的吸引，導致它們每過一定的時間就會相撞。更完整地說就是，宇宙經歷兩種運動階段。當有物質和輻射存于宇宙之中，或者膜相距足夠遠時，主要的運動是膜的拉伸，也就等價于三維空間的膨脹。其間，膜或多或少地保持著一個固定的距離。這正是過去150億年間所發生的事情。在這一時期，我們的三維空間會以正常速度膨脹。在一段微小距離之外，另一層膜存在并膨脹著。但我們卻不能穿過主體直接接觸、覺察或看到它的存在。如果那里有物質聚集在一起，我們能感受到相應的引力作用，卻不能看到它所發出的光或任何其他東西。因為它所發出的任何東西都會沿著那個膜運動，而我們只能看到沿著我們的膜運動的東西。

另一個階段，與膜間作用力相關的能量將宇宙占據。從我們的膜的視角來看，這正像是我們現今觀測到的暗能量。它令膜加速拉伸直到上一次碰撞中產生的物質和輻射全部散開，膜變成基本光滑、平坦又空無的表面。你可以將它們想象成充滿物質并褶皺著的曲面在接下來的數萬億年里逐漸拉伸。這種拉伸導致膜上的物質和能量逐漸變得稀薄，而膜本身也變得光滑。數萬億年后，這些膜變得絕對光滑、平坦、平行和空無。

然后，膜之間的力使得它們緩慢接近。在接近的過程中，力逐漸增強，膜因而加速接近。它們碰撞時發生的撞擊非常劇烈，以致創造出極高溫（但非無限高）的物質和輻射。兩層膜則飛速分開，差不多回到它們原來的位置，并在物質和輻射的引力作用下，開始新一階段的拉伸。

在這一圖景中，很顯然，宇宙經歷了膨脹時期和一段有趣的收縮時期。兩層膜聚到一起時，收縮的不是我們的維度，而是額外維度。在收縮之前，物質和輻射處于散開的狀態，但與20世紀二三十年代的舊循環宇宙模型不同，由于我們的三維空間，也就是膜，保持著伸展的狀態，它們并不會在收縮中聚回到一起。收縮的只是額外維度。這一過程在一次又一次的循環中不斷重復。

如果將循環宇宙模型與共識圖景相比較，你就會發現，暴脹使宇宙變得平坦和均勻的兩大功能，都可以由現在才剛開始的加速膨脹來完成。當然，我說的實際上是在最近一次爆炸之前的上一個循環相對應的膨脹。暴脹的第三個功能——產生密度漲落，則在兩層膜聚到一起時發生。當它們接近時，量子漲落導致膜開始褶皺。由于這種褶皺，它們碰撞時并不是所有位置都同時碰撞，而是有些區域要比其他區域早一些。這意味著，部分區域更早地被加熱到一個有限的溫度，然后開始冷卻。當膜再次分開，宇宙的溫度并非絕對均勻，還存在著量子褶皺留下的空間變化。

值得一提的是，盡管物理過程完全不同，時間尺度也達數十億年而非1030秒，最終得到的能量與溫度分布漲落頻譜卻與暴脹理論的結果基本一致。因此，循環宇宙模型也能與現在所有的溫度和宇宙質量分布測量結果高度一致。

鑒于這兩種模型的物理學機制頗為不同，若這兩者之一是正確的，那么我們應該會有顯著不同的觀測結果，盡管目前還未探測到。暴脹創造的漲落不僅僅是能量和溫度的漲落，也在時空本身形成了漲落，這就是所謂的引力波。大家期待在未來的幾十年內能觀測到引力波來證實共識宇宙模型。在循環宇宙模型中則不會產生引力波。這一根本不同是因為產生暴脹式漲落的過程，是一種極快的劇烈過程，足夠強大到產生引力波；而循環式漲落則產生于一種極慢的溫和過程，其強度并不足以產生引力波。這就是兩種模型給出的全然不同的觀測預言的例子，只是現在還很難被觀測到。

有趣的是，現在我們有兩種可能的圖景。一方面，它們對于時間本質、宇宙歷史、事件發生順序和時間尺度的解釋截然不同；另一方面，它們對現今宇宙的預言又極為相似。最終在這兩者中選擇哪一種，將會結合觀測（比如引力波）與理論來決定。因為這一圖景的核心理念在于膜互相碰撞時發生了什么，這將在超弦理論中得到驗證或證偽。與此同時，在接下來的若干年中，我們可以樂呵呵地推測這些理論的啟示，以及如何將它們區分開。