大爆炸之前發(fā)生了什么？這篇論文也許能給出答案

在宇宙的記憶里，有一片徹底的空白。
如果你逆行時(shí)間的長(zhǎng)河，恒星會(huì)熄滅，星系會(huì)退潮，物質(zhì)不斷收縮，溫度不斷攀升。直到某一刻，一切戛然而止。數(shù)學(xué)的羽翼折斷，物理的語(yǔ)言失效，世界陷入沉默。科學(xué)家稱之為“奇點(diǎn)”——一個(gè)密度與溫度無(wú)限的點(diǎn)。

在那里，所有法則都失去了意義。

那就是大爆炸的開(kāi)端，或者說(shuō)，是我們所能追溯的極限。

廣義相對(duì)論曾經(jīng)是最輝煌的燈塔。它告訴我們，引力并非一股看不見(jiàn)的力，而是時(shí)空的彎曲。它解釋了水星軌道的異常，預(yù)言了黑洞的存在，也讓衛(wèi)星導(dǎo)航如此精準(zhǔn)。

可是在大爆炸的奇點(diǎn)前，這盞燈卻熄滅了。方程式不再工作，推理走到盡頭。

于是宇宙學(xué)家們只能退而求其次，在“路燈下”搜索答案。假設(shè)宇宙在最初就像攪拌均勻的湯，均勻且對(duì)稱。這是個(gè)方便的假設(shè)，能讓方程繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但沒(méi)人能保證，那一瞬間的宇宙真是如此。

“你只能在燈下找鑰匙，但鑰匙也許掉在黑暗里。”

倫敦國(guó)王學(xué)院的宇宙學(xué)家 Eugene Lim 這樣形容困境。2025 年，他和倫敦瑪麗女王大學(xué)的 Katy Clough 以及牛津大學(xué)的 Josu Aurrekoetxea 合作，在《Living Reviews in Relativity》發(fā)表了論文《Cosmology using numerical relativity》。

這支團(tuán)隊(duì)提出，不要再困守在奇點(diǎn)的禁區(qū)，而是把這片黑暗交給超級(jí)計(jì)算機(jī)去探索。他們使用的武器，叫做“數(shù)值相對(duì)論”。

所謂數(shù)值相對(duì)論，并不是紙筆演算，而是用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)算法迭代逼近愛(ài)因斯坦方程。在極端環(huán)境下，紙上推不動(dòng)的方程，電腦卻能一點(diǎn)點(diǎn)摸索答案。

早在上世紀(jì)六七十年代，科學(xué)家們就嘗試用它來(lái)研究黑洞合并。但直到 2005 年，才有人真正成功。這次突破，直接成為 LIGO 探測(cè)引力波的理論基石。

正是這一歷史讓 Lim 和同事們相信，數(shù)值相對(duì)論同樣可以指向更遙遠(yuǎn)的謎團(tuán)——大爆炸之前的宇宙。

他們要解決的首個(gè)難題，就是暴脹。暴脹是宇宙早期的一段瘋狂：在極短的時(shí)間里，宇宙驟然膨脹了億萬(wàn)倍。沒(méi)有它，我們無(wú)法解釋為什么宇宙如此平滑、為什么星系能穩(wěn)定形成、為什么宇宙微波背景如此均勻。

但暴脹的觸發(fā)機(jī)制，至今沒(méi)人知道。更吊詭的是，要研究暴脹，科學(xué)家必須先假設(shè)宇宙本來(lái)就是均勻的。可這正是暴脹要解釋的現(xiàn)象，邏輯因此兜成死環(huán)。

數(shù)值相對(duì)論給了另一種可能。它允許我們不再依賴這些對(duì)稱假設(shè)，直接從雜亂、無(wú)序甚至怪異的初始條件出發(fā)。然后讓計(jì)算機(jī)推演，在這種混亂里，暴脹是否依舊發(fā)生，宇宙是否依舊能走到今天的模樣。

Lim 希望借此檢驗(yàn)更底層的理論，比如弦理論是否能自然地產(chǎn)生暴脹。換句話說(shuō)，這是一種把“哲學(xué)假設(shè)”轉(zhuǎn)化為“可計(jì)算實(shí)驗(yàn)”的途徑。

而暴脹只是開(kāi)始。數(shù)值相對(duì)論還能延伸到更狂野的設(shè)想。

弦理論預(yù)測(cè)過(guò)宇宙弦——那些可能在時(shí)空中留下的細(xì)長(zhǎng)疤痕。如果它們存在，便會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的引力波信號(hào)。數(shù)值相對(duì)論或許能幫我們提前預(yù)測(cè)這些信號(hào)的形狀。

多元宇宙的設(shè)想則更驚悚：如果我們的宇宙和鄰居發(fā)生碰撞，會(huì)在天空中留下“淤青”，藏在宇宙微波背景輻射的斑點(diǎn)里。過(guò)去沒(méi)人能認(rèn)真驗(yàn)證這種可能，而現(xiàn)在，它第一次進(jìn)入了科學(xué)演算的范圍。

還有循環(huán)宇宙的幻想：宇宙不是一錘子買賣，而是經(jīng)歷無(wú)數(shù)次輪回。它不斷膨脹，又不斷坍縮，然后再爆炸。大爆炸不過(guò)是一次次輪回中的一聲鼓點(diǎn)。

過(guò)去，這只是詩(shī)意的想象，因?yàn)樵跇O端引力下，方程失效。但正如 Lim 在接受 FQxI 采訪時(shí)說(shuō)：“循環(huán)宇宙是極好的例子，因?yàn)樗厝贿M(jìn)入強(qiáng)引力區(qū)，無(wú)法依賴對(duì)稱性。過(guò)去沒(méi)人敢研究，現(xiàn)在已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)在做。”

數(shù)值相對(duì)論的代價(jià)極其高昂。每一次模擬都要占據(jù)超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)周甚至數(shù)月的時(shí)間。它是一座煉爐，吞噬能量、時(shí)間與算法，只為煉出幾片逼近真相的碎片。

但人類從未懼怕代價(jià)。2005 年我們用它捕捉黑洞，如今我們要用它追問(wèn)宇宙的前世。

Lim 在論文最后寫(xiě)道，他們希望這能架起一座橋梁：數(shù)值相對(duì)論專家能走進(jìn)宇宙學(xué)，宇宙學(xué)家能借助數(shù)值相對(duì)論，讓那些“不可問(wèn)”的問(wèn)題變成可以計(jì)算的方程。

也許在未來(lái)的某一天，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，大爆炸并不是一切的開(kāi)端。它只是劇場(chǎng)的一次幕啟。幕布背后，或許有另一場(chǎng)宇宙在坍縮中死去，而我們的宇宙，只是它灰燼中的重生。

在黑暗深處，那些曾被斥為“不科學(xué)”的問(wèn)題，終將變成人類最偉大的答案。

（參考：Josu C. Aurrekoetxea et al, Cosmology using numerical relativity,Living Reviews in Relativity(2025).DOI: 10.1007/s41114-025-00058-z）