宇宙究竟源于“有”還是“無”？

羅伯特·阿黛勒 田也

一些物理學(xué)家認為他們能夠解釋宇宙最初形成的原因。如果他們是正確的，那么我們的宇宙很可能就是那樣憑空出現(xiàn)的。

幾千年來，人們一直在思考宇宙存在的奧秘。關(guān)于宇宙為何存在這個問題，幾乎每個古老文明都創(chuàng)造了自己版本的故事——大多數(shù)都把這個問題歸為神的力量，哲學(xué)家也已就這個主題進行了大量的探討。但一直以來，科學(xué)界始終未對這一終極問題進行過過多評論。

近年來，一些物理學(xué)家和宇宙學(xué)家已著手處理這個問題。他們指出，現(xiàn)在我們對宇宙的歷史和描述其運作原理的物理規(guī)律已經(jīng)有了一定的了解，這些信息應(yīng)該能為宇宙如何產(chǎn)生以及為什么存在提供一絲線索。

他們得出的具有明顯爭議的答案是：整個宇宙，從大爆炸時的巨大火球到我們今天身處其中的星光熠熠的世界，就那么無中生有，橫空出世了。他們認為，這是個必然現(xiàn)象，因為在本質(zhì)上，“無”是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。

這個想法聽起來有點離奇，或者說有點像虛幻的創(chuàng)作故事。但物理學(xué)家說，這完全符合科學(xué)界的兩個強大理論：量子力學(xué)和廣義相對論。

現(xiàn)在，問題又來了，世間萬物究竟是如何從“無”中產(chǎn)生的？

真空區(qū)域的粒子

首先，我們得先了解一下量子力學(xué)。量子力學(xué)是物理學(xué)的一個分支，專門與那些極其微小的事物打交道，比如原子和粒子。這是一套非常成功的理論，是現(xiàn)在大多數(shù)電子產(chǎn)品的理論支撐。

根據(jù)量子理論，根本就不存在真空這回事。即使我們認為的絕對真空實際上也翻滾著粒子云和反粒子云，它們陡然出現(xiàn)，又瞬間消失。

這些被稱為虛粒子的物質(zhì)稍縱即逝，無法被直接觀察到，但我們可以根據(jù)其效果來確定它們的存在。

源于無有之處無有之時的時空

從微小的原子到浩瀚的星系，能幫助我們了解如此大范圍結(jié)構(gòu)的最好理論就是阿爾伯特·愛因斯坦的最高成就——廣義相對論，該理論闡明了空間、時間和引力的運作原理。

相對論與量子力學(xué)迥然不同，而且迄今還沒有人能將二者完美地結(jié)合起來。然而，一些理論物理學(xué)家已經(jīng)能夠在某些精挑細選的特殊問題上使用這兩種理論了。比如，斯蒂芬·霍金在劍橋大學(xué)用這兩種理論對黑洞進行了描述。

量子物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將量子理論應(yīng)用到盡可能小的空間時，空間本身也變得不穩(wěn)定了。此時，時間和空間開始不穩(wěn)定，繼而變得混沌，形成時空氣泡。換句話說，空間和時間的小小氣泡可以同時形成?！叭绻臻g和時間可以量子化，那么它們就會波動?！眮喞Ｄ侵萘⒋髮W(xué)的勞倫斯·克勞斯說，“因此，你可以像創(chuàng)造虛粒子一樣創(chuàng)造虛擬時空?！?/p>

而且，如果這些氣泡有形成的可能，那么它們一定會形成。塔夫茨大學(xué)教授亞歷山大·維蘭金說：“在量子物理學(xué)中，如果某事未被禁止，那么它必然會發(fā)牛?！?/p>

由氣泡形成的宇宙

并非只有粒子和反粒子可以自由出入無有之境，時空氣泡也可以做到這一點。盡管如此，從一個微小的時空氣泡發(fā)展成為包含約1000億個星系的龐大宇宙，也是一個不小的飛躍。當然，即使形成了這樣一個氣泡，也有可能在眨眼間消失不見。

事實上，這樣一個氣泡是有可能存在下去的，只是還需要借助一點點外力：宇宙膨脹。

現(xiàn)在，多數(shù)物理學(xué)家認為宇宙源于一次大爆炸。最初，宇宙所有的質(zhì)量和能量都擠在一個小到難以想象的奇點上，然后，砰的一聲，大爆炸發(fā)生了。這與20世紀早期發(fā)現(xiàn)的宇宙正在膨脹的事實相吻合。如果所有的星系都在漸行漸遠，那么它們肯定曾經(jīng)聚攏在一起過。

膨脹理論認為，在大爆炸后的一個時期里，宇宙的膨脹速度遠比后來要快許多。這個貌似奇怪的理論由麻省理工學(xué)院的阿蘭·古斯在20世紀80年代最先提出，后來經(jīng)斯坦福大學(xué)的安德烈·林德加工完善。

該理論認為，大爆炸后不到1秒的時間內(nèi)，量子尺寸的空間氣泡瞬間急速膨脹，從比原子核還小的體積瞬間膨脹至一粒沙子的大小。膨脹最終緩慢下來，這時，當初導(dǎo)致其膨脹的能量場轉(zhuǎn)化成了今天宇宙中的物質(zhì)和能量。古斯將膨脹稱為“最后的免費午餐”。

該理論看上去很奇怪，實則非常符合事實，尤其是它非常巧妙地解釋了為什么宇宙微波背景輻射——大爆炸殘留的微弱輻射——幾乎均勻地分布于宇宙空間。如果宇宙不是在如此短暫的時間內(nèi)急劇膨脹，微波背景輻射的分布很可能要比現(xiàn)在零散。

扁平宇宙的重要性

同時，膨脹理論也給宇宙學(xué)家提供了確定宇宙幾何形狀的測量工具。事實證明，這也是理解宇宙如何無中生有的關(guān)鍵。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，我們置身其中的時空可以有三種不同的表現(xiàn)形式：它可以平如桌面；也可以向內(nèi)部彎曲如球體表面，在這種情況下，如果你沿同一方向前行到足夠遠，你很可能會到達你的起點；還有一種情況，時空可以向外彎曲，如同馬鞍。那么，現(xiàn)實的時空究竟是哪種形式？

有一種方法可以對此進行驗證。還記得數(shù)學(xué)課上老師教給你的嗎？三角形的三個內(nèi)角之和恰好是180度。實際上，你的老師漏掉了一個關(guān)鍵條件，即只有在平面幾何中才會如此。如果你在氣球的表面畫一個三角形，這個三角形的三個內(nèi)角之和將遠遠大于180度。反過來，如果你在一個彎曲成馬鞍狀的物體表面畫一個三角形，這個三角形的三個內(nèi)角之和將小于180度。

因此，要想弄清楚宇宙究竟是不是平的，我們需要對一個巨無霸三角形的三個內(nèi)角進行測量。這時，就用得到膨脹理論了，它決定了宇宙微波背景輻射中冷熱區(qū)域的平均大小。2003年，科學(xué)家對這些區(qū)域進行了測量，這次測量的結(jié)果給了天文學(xué)家一個可供選擇的三角形。現(xiàn)在我們知道，這個結(jié)果就是：在可觀測的最大范圍內(nèi)，宇宙是扁平的。這一點至關(guān)重要，因為只有扁平宇宙才具有無中生有的可能性。

宇宙中存在的一切，從恒星、星系到我們看到的它們發(fā)出的光，一定發(fā)端于某處。我們已經(jīng)知道，粒子源于量子層面，因此我們可以猜想宇宙最初或許包含一些微不足道的細小事物。然而，要形成所有這些恒星和行星，卻需要大量能量。

物質(zhì)的能量恰好等于物質(zhì)的重力勢能

宇宙到底是從哪兒獲得這么多能量的？聽起來有點奇怪的是，宇宙很可能根本不需要去獲得任何能量。這是因為宇宙中的任何物體都能產(chǎn)生引力，這種力會拉動其他物體向自己靠近。

這有點像一種測量重量的老式方法：在秤的一頭先放上重物，再在另一頭也放上重物，直到兩邊平衡。在宇宙中，秤的一邊是物質(zhì)，另一邊是重力。

物理學(xué)家已經(jīng)計算出，扁平宇宙中物質(zhì)的能量恰好等于物質(zhì)產(chǎn)生的重力的能量。但這種平衡只有在扁平宇宙中才會成立，如果宇宙是彎曲的，這兩種能量就無法取得平衡。

單個宇宙抑或多元宇宙？

在這個問題上，單個宇宙看起來似乎更簡單些。量子力學(xué)告訴我們，“無”在本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，因此從無到有的這一初始飛躍將是不可避免的。其帶來的結(jié)果就是，一個微小的時空氣泡變成一個龐大而煩瑣的宇宙——真是多虧了膨脹。正如克勞斯指出的，“我們所理解的物理規(guī)則使得這一認識明顯具有合理性，即我們的宇宙最初一無所有——沒有空間、沒有時間、沒有粒子，我們所了解的任何東西那時統(tǒng)統(tǒng)沒有”。

那么，為什么這個過程就只發(fā)生過一次？如果可以憑空出現(xiàn)一個時空氣泡并膨脹成浩渺的宇宙，那么，到底是什么阻止了其他氣泡也產(chǎn)生同樣的結(jié)果？

宇宙很可能是一個令人難以置信的大雜燴

林達提供了一個簡單卻令人費解的答案。他認為，宇宙會一直源源不斷地產(chǎn)生，而且這個過程會永遠持續(xù)下去。

林達說，當一個新的宇宙停止膨脹時，它周圍的空間仍然在繼續(xù)膨脹，這個膨脹著的空間會產(chǎn)生更多的宇宙，這些宇宙同樣也會被膨脹的空間包圍。因此，膨脹過程一旦開始，就將沒完沒了地產(chǎn)生一連串的宇宙，林達稱之為永恒膨脹。我們的宇宙，或許只是滄海一粟。

那些宇宙很可能完全不同于我們的宇宙。我們的毗鄰宇宙很可能是五維的而不是三維的，不止有長度、寬度和高度。重力很可能是我們宇宙的10倍之強，也可能只有我們宇宙的千分之一，或者根本就沒有重力，物質(zhì)也很可能由完全不同的粒子構(gòu)成。

因此，宇宙很可能是一個令人難以置信的大雜燴。林達認為，永恒膨脹并非只是最后的免費午餐，而且是唯一的免費午餐。在這里，你可以吃到所有可能的菜品。

然而，到目前為止，我們還沒有確鑿的證據(jù)證明其他宇宙的存在，但無論是單個宇宙還是多元宇宙，這些想法都賦予了“Thanks for nothing”這句話以全新的解釋。（譯者注：“Thanks for nothing”在英語中表示拒絕或輕蔑，跟漢語的“得了吧，您吶”接近。因為宇宙很可能來源于“nothing”，因此，得虧了“nothing”才有了宇宙，從而成為一句實實在在的感謝的話，也就是給了這個短語一個全新的解釋。）