宇宙一直想告诉我们一些东西。但到目前为止，我们始终没搞清楚它要说的是什么。

科学是要增进理解，但科学的进步却往往由误解推进。当一个接一个的观察与我们的预言相一致时，科学就很难再向前推进了。但当实验结果与我们钟爱的理论背道而驰时，我们便开始取得某些进展。再好的理论也不可能涵盖我们希望得到解释的一切现象。我们的目标是要将理论扩大到未知范围，没有什么能比与当前理论图像相矛盾的事实更有用的了。

但是，我们并不总是这么幸运。有些理论，在其适用范围内，对我们的观测结果能够给予很好的解释，但让我们有一种令人不安的感觉，就是它们不是事情的最终解决方案。这方面的一个绝好的例子是粒子物理学的标准模型。经过20世纪60～70年代的辛勤建构，这个模型在解释粒子物理学家在20世纪80～90年代积累起来的海量数据方面发挥了英雄般的作用。直到最近——随着中微子质量和存在暗物质和暗能量证据的发现——标准模型才开始遭遇挫折，我们至今仍不知道可以用什么新的理论来取代它。

可是在粒子物理学领域，从来就没有人真的认为标准模型是最终解决方案。一方面，它不包括基本力之一——引力——因此它被认为不可能是完备的。另一方面，它似乎不像是完全“自然的”。它包含了大量的粒子，要用很多参数来描述，而且这些参数值似乎显得杂乱无章，毫无规律。它有各种不同的对称性——有些破缺，有些不破缺——但都没有令人信服的理由。对于弱核力，能量上还存在一个很重要的尺度，如果你不做测量，你想象不到这个尺度会有多小。

尽管标准模型勉强经受住了实验的检验，但它总是不太对味儿。在这一杂乱无章的理论背后一定有一些更为简单、更为牢靠的安排。

旁观者清。在有些人看起来非常自然的东西在另一些人看来则大有疑问。但是物理学家在判定一个理论是否自然时有着非常明确的标准。任何好的物理理论都有一组数——自然常数，至少在特定模型的适用范围内是如此。如果一个或多个这样的常数过大或过小，我们会认为这个模型不够自然。尤其是我们不知道大自然是否给了我们一些线索，让我们能够了解所看到现象背后的物理，即我们据以解释这些过大或过小常数的更简单的概念。

不自然常数的一个明显的例子是真空能——真空空间的能量密度。我们习惯于认为能量与某种物质形式——粒子或辐射或运动——相联系。但在广义相对论——爱因斯坦的时空理论——里，能量是空间本身所固有的结构。我们怎么知道这一点的呢？因为根据爱因斯坦理论，每一种能量形式都对空间的扩展有贡献。真空能——其密度保持不变，而普通物质和辐射则是耗散性的——对宇宙的膨胀给予持续的冲击，导致遥远的星系离我们加速而去。实际上在1998年我们就已检测到宇宙膨胀的这种加速现象，它表明真空能的这一假说性概念是真实存在的。

但它不是那么自然。问题不在于真空能概念本身，而是真空能的大小不足以解释这个加速度：它远远小于应具有的值。我们可以将自然界其他常数——光速、牛顿的万有引力常数、量子力学的普朗克常数——的测量值组合起来来预测真空能应具有的值。结果发现这个值约为10112erg/cm-3。如果说它看起来像个大数，那算没说错，因为测量值只有约10-8erg/cm-3。两个原本应该相等的数相差了10120倍（10后面跟有120个0）。这是怎么回事？

也许宇宙一直在告诉我们一些东西。观察到的真空能似乎小得很不自然，但顺便说一下：如果这个值大很多，那我们就不可能在这里观察它了。如果真空能的值接近于其“自然”值10112erg/cm-3，那么空间加速膨胀的惊人速度将使单个原子都会被撕裂，就更不用说行星、恒星和星系了。

因此也许我们只是运气好，或者说也许是运气相当不好——我们观察到的真空能的值之所以非常之小，就因为我们生活在宇宙的一个不寻常的部分里。

可观测宇宙——我们看到的我们周围的那部分——在非常大的尺度上似乎显得极为相似。在数十亿光年的空间区域内，星系密度差不多相同。但是我们看不到整个宇宙，因为光传播的速度有限，因此我们可观察的范围有一个限度。在可观察视野之外，宇宙可能会无限伸展，未必是统一的。事实上，局部得出的物理学定律和自然常数可能会逐渐不同。想象一个打满补丁的宇宙——在每块补丁之内，条件和参数是统一的；但各块补丁本身则彼此完全不同。我们会发现，我们只是处在一块好客的补丁上。也许真空能的值在我们看来显得不正常是因为我们看到的只是整体的一个明显不具代表性的部分，宇宙从整体上说就像任何人希望的那样是非常自然的。

或者……也许不是。这种人存推理——试图根据由更大的、不可观测的“多元宇宙”理论得出的选择效应来解释可观测宇宙的不寻常特征——使得很多人感到不舒服，如果不说是完全反对的话。一方面，大量引用不同层次物理学局部定律来解释区区几个数字似乎并不十分经济。其次，我们很难知道这些推理是否正确。多元宇宙看似解释了为什么这样的条件允许我们存在，但问题是是否存在这样的多元宇宙。如果自然常数不符合我们的存在，我们同样不可能在这里深入思考这些事情。具有不同局部物理学定律的补丁空间拼成的宇宙可以给自然参数的不自然一个解释；还有一种解释是，物理学定律是独一无二的——而且恰好与智能生命的存在兼容。在这两种解释里，我们到底该选择哪一个？

我们这个可观测宇宙的另一个不寻常特征——大爆炸——提供了一种可能的线索。宇宙学家们在两种不同意义上运用这句话。大爆炸本身是指宇宙诞生的奇异时刻，而大爆炸模型则是一种假设，用来描述我们的宇宙从最初的炽热、致密状态到我们今天看到的冷却了的、膨胀着的状态的演化。对宇宙史上极早期所发生的事情我们知道得很少，因此对大爆炸时刻的描述纯属推测，但宇宙从极早期到今天的演化是相当清楚的。因此大爆炸模型有坚实的经验基础，尽管大爆炸本身对我们来说还只是个占位符。然而，正如粒子物理学里的标准模型那样，大爆炸模型在数据拟合上的成功并不意味着它在自然性方面不存在棘手的问题。

现代宇宙学里不为公众所知的难题之一是，我们不知道为什么早期宇宙看上去是那个样子。这里我们谈论的不是真空能问题里的自然常数，而是有关宇宙自身的结构。目前，这种结构看起来就像是一个由气体、恒星和暗物质（一种尚未被直接观测到，但其引力对银河系结构具有影响的物质形式）构成的稀薄、弥散的集合体，这种集合体聚合成散布在整个宇宙中的星系，并在真空能背景下演化。所有东西都处在不断膨胀和降温过程中，因此宇宙在过去要比现在更热、更致密。宇宙在过去也较为平滑，它是从几乎完全均匀的状态下开始演化的。自从140亿年前的大爆炸以来，物质受到引力无情的拖拽，逐渐聚集成恒星和星系。就我们目前所知，宇宙还将继续膨胀下去。星系将分离得越来越远，当所有物质弥散到虚空之后，宇宙最终将再一次变得完全平滑。在遥远的未来，宇宙将是一锅基本粒子稀粥，所有粒子将变得越来越冷，分离得越来越远。

这个故事的一个十分明显的特点是：宇宙的过去非常不同于未来。早期宇宙是炽热和致密的，而晚期宇宙则是寒冷和稀薄的。好……那为什么会这样呢？事实是，我们不知道。

我们对宇宙的过去和未来之间区分的认识是如此根深蒂固，以至于似乎并不需要多做解释。像鱼儿无视水的存在，我们几乎从不在意时间不对称——所谓时间之箭——这一深刻谜团。但它却是我们局部物理环境的最突出的特点。我们可以将鸡蛋变成煎蛋卷，但我们不能把煎蛋卷变回鸡蛋。我们可以记住过去但不能记住未来。任何看过电影倒片的人都知道，时间根本不可能倒转，否则事情很快就会变得荒诞不经。在我们的局部环境动力学里，过去和将来之间不存在对称性。令人费解的是，物理学基本定律却存在这样的对称性；它们在时间上向前和向后同样有效。如果物理定律告诉我们过去和将来都是平等的，为什么我们的日常经验却告诉我们事情并非都如此？

时间箭头的起源，可以从我们早上吃早餐时打一个鸡蛋一直追溯到宇宙的开端。物理学家是根据熵——对物理状态混乱度的一种量度——来跟踪时间流逝的。如果你将某个物体集合分散开来，它们可以有任意多种无序的安排——对此我们指定一个高熵值。但要将这些物体精确地排列起来则只有少数几种方法，这种有序排列的熵相对较低。一副有序的纸牌具有低熵，而洗好的牌则具有很高的熵。高熵结构，如果你愿意的话，要比低熵结构更自然，原因很简单，存在的高熵结构要多得多。

由于高熵结构更自然，数量也更多，因此孤立物理系统的熵总是随着时间推移趋于增加（或至少不减少）。这就是热力学第二定律，它也许是物理学最值得珍视的原理。第二定律确保了煎蛋卷不会自发地变成鸡蛋，鸡蛋的熵远低于煎蛋卷，因为组成鸡蛋的分子排列方式要比煎蛋卷的分子排列方式少得多。

但是，这只是故事的一半。虽然熵趋向于增加，因为高熵比低熵有更多的存在方式，但这并不能解释为什么当初熵很低。但事实就是这样。我们的宇宙的熵开始时非常小，此后不断在增大。想想看：我们的可观测宇宙在超过10亿光年的范围内包含了大量的粒子（准确地说，约为1088个）。然而在早期，它们都以高温稠密等离子体形式小心地挤在非常狭小的空间区域里。这该多不自然！所有这些粒子彼此相距甚远地分散开来的方式要多得多，而这正是随着时间推移所发生的事情。与宇宙熵可能的取值相比，我们的宇宙目前的熵值处于中间。未来，熵将变得巨大，因为它显然更愿意这样，但在过去，熵值却非常小。

不仅是某些自然常数明显受到过微调，而且宇宙的早期状态也如此。宇宙为什么不一直处在一个高熵状态？没有明显的理由说明宇宙中的物质和辐射曾经非要被挤压在一起，它同样可以是永远处于稀薄弥散状态。但那样就没有时间箭头了，宇宙只能坐在那里，过去和未来没有任何区别，也不可能发生任何事情。

你可以想象一下这将会怎样。在一个真正高熵的宇宙里，什么都不发生，这其中就包含我们的生命。我们用来刻画生命的每一个特征——代谢、繁殖、进化、记忆——很大程度上都取决于时间箭头。生命，可以毫不夸张地说，是由熵增在时间上推进的。如果熵一直很大，也不增长，就不会有生命。我们可以用人存推理来解释大爆炸时的低熵吗？

不尽然。尽管存在人存推理本质上无法验证的担心，但它确实具有一定的逻辑：如果某种不自然的事情是生命存在所必需的，那么我们就应当观察到它经过足够的微调以便说明好客的宇宙，此外别无其他。这正是我们从真空能的观测值里发现的东西：如果它哪怕大一点点，我们就不会在这里谈论它了。

但熵的情况不同。早期宇宙不仅是一种非常特殊的结构，而且它的熵远低于用来说明我们的存在所需的值。我们的存在充其量也只需要我们在银河系里发现的环境。但银河系只是我们可观测宇宙中千亿个星系中的一个，那些所有的星系又以什么理由存在呢？特别是，为什么聚集成这些星系的物质不像真正的高熵宇宙那样均匀散布在整个空间呢？即使生命的存在需要宇宙有一个低熵的开端，但我们的实际宇宙在早期的微调值似乎没必要如此挥霍。

现在我们已经进入这样一种境地：我们不仅缺乏得到实验结果广泛支持的理论，甚至没有精心制定的假说。尽管如此，越来越多的宇宙学家正在认真对待大爆炸之前发生的问题。请记住，我们对大爆炸本身并不充分了解；我们倾向于把它看成是具有无限大密度和曲率的时刻，但事实是我们根本就不知道该怎么做。我们不知道该如何协调量子力学要求与广义相对论弯曲时空之间的关系。一旦我们知道该如何协调了，那么所谓奇点和禁闭等问题就可能通过变得平稳和连续而得到解决。越来越多的物理学家敢于对大爆炸之前的事情发挥想象力，认为我们的可观测宇宙可能有一个不可观察的史前史。

在这一史前时期，我们可能会找到对早期宇宙的微调过的低熵状态的一个解释。想象一个处于据称高熵状态的宇宙：寒冷而稀薄，所有粒子彼此分得很开。但要记住，还有真空能，因此，即使是虚空空间，也不是完全平静的。量子力学法则告诉我们，只要存在这种能量，真空就存在涨落。粒子不时地从无到有又从有到无，各种场时而显出统计上很难出现的结构。如果我们等待足够长时间，那么恰当的结构就会出现——这就是产生一种全新宇宙的必要条件。物质和能量的短暂涨落可能会积聚于某个小区域，使得时空结构扭曲得恰好让空间与时间断开，并产生一个不连续的空间泡泡。这个泡泡能够膨胀和发展，最终冷却下来并冷凝成恒星和星系。这可能就是我们生活其中的宇宙。

换句话说，借助于大爆炸前的条件，我们或许能够解释大爆炸时的明显微调了的特征。也许我们看到的所有粒子最初都处在一个狭小致密的区域里，因为这样的结构更容易产生一个新的泡泡宇宙，而不是一开始就产生一个大的、稀薄的宇宙。我们的可观测宇宙的熵增以及相应的时间箭头可能是更大的多元宇宙无法通过产生新的婴儿宇宙来满足创造更大熵的欲望的一种反映。如果我们能够一览整个宇宙结构，那么一切看起来可能都很自然。

或者……也许不是这样。我们还是缺乏足够的资金将这种思想付诸检验。但有时我们必须孤立前行，提出并改进想法，然后才能够充分理解它们，知道如何对它们进行检验。在我们努力搞清楚这些想法会将我们引向何方之前，我们什么都不知道。宇宙当然想告诉我们一些东西，我们要做的就是竭尽所能搞清楚它说的东西。