互动科普

在我们宇宙诞生的瞬间流动着的也许是一种奇特的时间

按照维兰金博士和霍金的假说，在宇宙诞生的瞬间还发生过更加不可思议的事情。在那一瞬间既然是隧道效应使得从“无”出现了一个急遽膨胀的宇宙，那么，当时流动着的必然就只能是一种非常奇特的时间。

那种时间完全不同于在我们日常生活中流动的时间，叫做“虚数时间”，是在量子论的计算中所使用的一种时间。

虚数具有我们平常所使用的普通数（实数）所不具备的性质。零以外的任何一个实数（不论正数还是负数）的平方，结果都是正数。然而，任何一个虚数（纯虚数）的平方，结果都是负数。

一切虚数，如“3i，4i，5i”等等，都带有一个用“i”表示的虚数单位。“i”是其平方等于-1的一个数，换句话说，i是-1的平方根。

本来应该向下掉落的苹果反而向上运动?

那么，流动着虚数时间的世界同我们这个流动着实数时间的世界有什么不同呢？举例说，运动的方向（加速度方向）就不相同。在虚数时间的世界里，受到力的作用的物体的运动方向同在我们这个实数世界里的运动方向相反。例如，在实数世界里受到重力作用向下掉落的苹果，在虚数世界里将会向上运动。

接下来我们就来介绍把在虚数时间世界里的这样一个特点应用于宇宙诞生的瞬间后，将会得到怎样的结论。

宇宙开始的瞬间也许并不特殊

在虚数时间的世界里，受力物体的运动方向与在实数时间的世界里正好相反。这就意味着，在实数时间的世界里，一只球沿着斜坡自然向下滚动，而在虚数时间的世界里一只球则沿着斜坡自然向上滚动。我们还可以换一种观点来看两个世界的这种区别：在实数时间的世界里所看见的上坡，在虚数时间的世界里看起来应该是下坡。

记住这种区别，我们再来分析宇宙诞生那一瞬间的情况。不断生成和湮灭的宇宙“蛋”转变为急遽膨胀的宇宙所必须翻越的“山”(能量壁垒），其实是“谷”，而通过这种“谷”而变成急遽膨胀的宇宙当然不是难事。换句话说，假定在宇宙诞生的一瞬间流动着的是虚数时间，那么，关于宇宙诞生时的隧道效应便可以非常自然地得到说明。

现在，我们可以来看只由广义相对论得到的宇宙诞生模型与维兰金以及霍金加入量子论以后得到的宇宙诞生模型两者之间有什么不同了。在只由广义相对论得到的宇宙模型中，宇宙起始于被称为“奇点”的一个点。在这个特殊点上，物理学的计算全部失效，因而无法对宇宙诞生一瞬间发生的事情做出正确的说明。为此，霍金认为，“宇宙诞生的瞬间不是一个特殊的点，对它应该可以像对待宇宙诞生瞬间之外的宇宙那样处理。” 

事实上，这个问题就是靠虚数时间解决的。这里来仔细分析一下空间和时间。在空间中可以自由地来去，然而时间却只能在从过去到未来这一个方向流动。由于这个缘故，在实数时间的世界里，对于空间和时间是分别进行不同处理的，然而在虚数时间流动的世界里，对于空间和时间却可以同等对待，合在一起进行处理。

在虚数时间的世界里，山“丘”变成山“谷”

假定在宇宙诞生的瞬间流动着的是虚数时间，那么，挡住宇宙蛋去路的“山丘”其实就是“山谷”。宇宙蛋滚下“山谷”自然不难，因而可以轻而易举地到达“山丘”的另一侧，并在到达另一侧后就立即开始急遽膨胀。

宇宙开始的起点与其他时期没有区别？

在宇宙开始的起点，空间和时间是等同的，因而那并不是一个不能进行计算的特殊点（奇点），同其他时期没有实质上的区别。就像地球的南极不过是位于地球南端的那一点（相当于宇宙开始的起点）而已，它同地球上的其他地点（相当于宇宙起始点之外）相比并无特别之处。采用与此类似的观点，在讨论宇宙起源的问题时便能够避开奇点的困难。霍金等人认为宇宙并非起始自一个特殊点（奇点）的这个理论被称为“无边界假说”。

（本文发表于《科学世界》2013年第7期）