宇宙到底從何而來？

知識 06-13

宇宙為何會存在？人們為這個問題已經爭論不休了幾千年。全世界幾乎每一個古代文明都會有著自己對於這個問題的解釋——但儘管存在差異，但從本質上來說，他們基本都將原因歸為某位神靈的創造。宇宙的起源問題同時也是哲學界長久以來探討的話題。然而在這場喧囂之中，科學界的聲音卻顯得格外微弱。

宇宙到底從何而來？哈勃空間望遠鏡拍攝的圖像。大質量天體會造成背景星系光線的彎曲，這是愛因斯坦的理論所預言的情景，被稱作「引力透鏡」

宇宙到底從何而來？蟹狀星雲，這是超新星爆發留下的遺迹。我們所在的宇宙或許只不過是一片無垠沙灘上的一顆沙粒而已

不過在最近幾年時間裡，一部分物理學家和宇宙學家們終於開始嘗試涉足這一終極問題的探討。他們指出我們目前已經大致了解了宇宙的歷史，並且也了解了可以對其進行基本描述的物理學定律。他們認為，藉助以上這些信息，我們應該就可以探尋宇宙如何存在以及為何存在這類問題的答案。

天文學家們自己也承認，他們對於這個問題給出的回答聽上去是充滿爭議的：他們認為我們目前生活其中的，遍布恆星的宇宙最初是從一場劇烈的大爆炸中誕生的，而在那之前什麼都不存在。天文學家們指出，大爆炸必然會發生，原因是「虛空」（nothing）本質上是不穩定的。

這樣的觀點或許聽上去會顯得非常詭異，或感覺就是另外一個瘋狂的創世學說。但物理學家們指出，這一理論是直接從物理學的兩大支柱，即量子力學和廣義相對論中推導出來的。

可是，從「虛空」之中誕生，這怎麼可能呢？

真空中的粒子

宇宙到底從何而來？「斯蒂芬五重星系」。哈勃空間望遠鏡拍攝圖像

在探討這個問題之前，我們首先應該了解一下量子力學的一些觀點。量子力學是物理學的一個重要分支，主要適用於非常微觀的世界，如原子甚至更加微小的粒子。這是一個極為成功的理論，它實際上構成了現在我們使用的大部分電子器件背後的理論基礎。

量子力學告訴我們，並不存在所謂的「真空」。即便是最完美的真空之中實際上也充斥著粒子與反粒子，它們不斷誕生，然後幾乎在同時不斷湮滅。

這些所謂的「虛粒子」（virtual particles）存在的時間太過短暫，因而無法被直接測量到，但通過一些效應，我們可以確信它們的確存在。

時空——從零空間和零時間開始

宇宙到底從何而來？或許多重宇宙就像這些氣泡一樣

從微觀事物，如原子，到宏觀事物，如星系。與描述微觀世界的量子力學不同，我們用於描述宏觀世界的理論則是廣義相對論。這是愛因斯坦一生最重要的成就，該理論描述了空間，時間和引力是如何運作的。

相對論與量子力學不同，並且迄今都沒有任何人能夠將這兩者成功地統一起來。然而藉助謹慎的近似方法，一些理論科學家的確已經成功地在某些具體問題上同時應用這兩大理論。比如英國劍橋大學的史蒂芬·霍金教授對於黑洞的研究便是如此。

在這樣嘗試的過程中，科學家們發現的一個情況就是，當將量子力學應用到在可能範圍內最小尺度的空間中時，空間本身將變得不穩定。在這樣的尺度上，空間不再顯示完美的平滑和連續，空間和時間都失去了其穩定性，它們混雜在一起，形成了時空的泡沫。

換句話說，微小的時空泡沫是可以自發形成的。美國亞利桑那州立大學坦普爾分校的勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）表示：「如果時空是量子化的，它們就會發生漲落。因此正如你可以創造出虛粒子一樣，你也可以創造出虛時空。」

除此之外，如果這些時空泡沫的形成是可能的，那麼它們就一定會形成。美國波士頓塔夫茨大學的亞歷山大·維蘭金（Alexander Vilenkin）指出：「在量子物理學中，如果某件事並非是被禁止的，那麼它真的發生的概率就不為零。」

從「氣泡」中誕生的宇宙

宇宙到底從何而來？宇宙微波背景輻射分布圖，這是宇宙大爆炸留下的餘暉

於是，並非僅僅只有粒子和反粒子能夠從「虛空」之中誕生並消亡：時空的「氣泡」也同樣可以。但即便如此，想像一下一個無限小的時空氣泡要變成一個內部包含有1000億個以上星系的巨大宇宙，這樣的跨越也實在太大了。難道不是嗎？即便這樣一個「氣泡」能夠形成，它也會在轉瞬之間再次消失。

但事實上，這樣的「氣泡」是有可能倖存下來的。但為了達成這樣的結果，我們還必須藉助另外一項宇宙奇蹟：暴漲。

大部分物理學家現在都同意我們生活其中的宇宙是從大爆炸開端的。起初宇宙中所有的物質和能量都被壓縮在一個無限小的點上，然後這個點爆炸了。之所以物理學家們能夠達成這樣的共識，主要源於20世紀早期的一項重要發現：觀測證據顯示宇宙正在膨脹。既然所有的星系都正在遠離我們，那麼在此之前的某一時刻，所有星系必定都曾經聚集在一起。

而暴漲理論指出，在大爆炸之後的一個階段，宇宙曾經經歷過一段急速膨脹的過程。這一聽上去有些荒謬的觀點最早是在上世紀80年代由美國麻省理工學院的阿蘭·古斯（Alan Guth）提出來的，隨後由現任職於斯坦福大學的安德烈·林德（Andrei Linde）進行了修訂。

這項理論的主要觀點包括：在大爆炸發生之後的一瞬間，量子尺度的空間突然經歷難以想像的極速膨脹過程。在極短的時間內，原始宇宙的大小便從比一個原子核還要小，突然膨脹為一粒沙子的大小。當這一膨脹過程最終減速時，驅動這一過程的力場轉變為充斥今天宇宙空間的物質與能量，也因此，古斯將這一暴漲過程稱作「終極免費午餐」。

然而更加讓人感到詭異的是，這一詭異的理論竟然與觀測現實的吻合度相當好。尤其是，它可以非常好的解釋宇宙微波背景輻射的存在，這是大爆炸留下的微弱餘暉，這種微波輻射幾乎均勻地分布在宇宙的各個方向，構成一種近似背景的模式。如果宇宙沒有經歷過如此快速的暴漲過程，那麼這一輻射背景的均勻度應當會差得多。

宇宙是平坦的，這很重要

宇宙到底從何而來？研究的結果顯示，從最大的可觀測尺度上來看，我們的宇宙是平坦的。宇宙是平坦的——這一點極其重要，因為只有一個平坦的宇宙才能從「虛無」中誕生

暴漲理論也給了宇宙學家們一把測量的工具，他們可以據此度量宇宙的幾何學特徵。對這一問題的研究結果對於我們理解宇宙如何從虛無之中誕生將具有關鍵意義。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，我們生活其中的時空可以三種形式存在。它可以表現為平坦的，就像一張桌子的檯面；它也可以具有正曲率，就像一個球體的表面，在這種情況下，如果你旅行地足夠遙遠，你將會回到你最初出發的地方；最後一種，宇宙也可以表現為負曲率，此時宇宙在幾何特徵上的表現就像一個馬鞍。那麼究竟哪一種才符合實際情況？

有一種方法可以找到答案。或許你還記得在你中學的數學課上，你的數學老師應該曾經告訴過你，三角形三個角的內角和等於180度。但實際上你的數學老師還遺漏了一項重要的內容，那就是這種情況只適用於平面。如果你在一個皮球的表面畫一個三角形，你會發現它的三個角的內角和會大於180度。反過來，如果你在一個具有負曲率的表面，比如一個馬鞍的表面畫一個三角形，你會發現它的三個角的內角和將是小於180度的。

那麼這樣一來，要想判斷宇宙是否是平坦的，我們就要測量一個巨大三角形的內角和。而這正是暴漲理論能夠發揮作用的地方，它決定了宇宙微波背景輻射中相對較為溫暖與較為寒冷的區域的平均大小分布。對這些區域大小的測定在2003年完成了，這樣天文學家們便有了許多的三角樣本可以進行測量。這項研究的結果顯示，從最大的可觀測尺度上來看，我們的宇宙是平坦的。

宇宙是平坦的——這一點極其重要，因為只有一個平坦的宇宙才能從「虛無」中誕生。

所有現在存在的事物——恆星，星系以及我們藉以看到世界的光線，所有這一切必定源自什麼地方。我們已經知道粒子可以在量子層面上從虛空之中誕生，而要想產生出宇宙中的全部恆星和行星，將需要巨大的能量才能實現。

可是宇宙本身究竟是從何處獲得這麼多的能量的？詭異的是，它或許根本就不需要去獲取能量。這是因為宇宙中的任何物體都會產生引力，這種引力會對其周圍的其他物質產生一股拉力。這種引力將會平衡掉最初用於創造物質的的能量本身。

這就有點像是一把舊式秤桿，你在一頭放上重物，而在另一端放置砝碼，直到兩者的重量相等。而在宇宙的案例中，物質被放在了秤桿的一端，放在秤桿另一端的砝碼就是引力，它必須能夠平衡掉物質的重量。

物理學家們的計算顯示，在一個平坦的宇宙中，物質中所蘊含的能量恰好被這些物質產生的引力所具有的能量所平衡掉。但這一點也僅僅適用於平坦宇宙的情形。如果宇宙具有曲率，那麼這兩者將難以相互抵消。

單一宇宙還是多重宇宙？

宇宙到底從何而來？在宇宙的案例中，物質被放在了秤桿的一端，放在秤桿另一端的砝碼就是引力，它必須能夠平衡掉物質的重量

到了這一步，創建一個宇宙看起來似乎很容易了。量子力學告訴我們「虛空」是不穩定的，於是一開始從「什麼都沒有」到「有什麼」這一步似乎是不可避免的。隨後在經歷暴漲過程之後，大爆炸中產生的那個微小的時空「氣泡」迅速膨脹並最終成為我們今天看到的這個巨大而繁忙的宇宙。正如克勞斯所指出的那樣：「根據我們所了解的物理學原理，我們的宇宙應當是從『空無一物』之中誕生的——沒有空間，沒有時間，沒有粒子，沒有任何我們已知的東西。」

那麼這一過程為何只發生了一次呢？如果可以有一個時空「氣泡」從虛無之中誕生，並經歷暴漲之後成為我們生活其中的宇宙，那麼有沒有可能這樣的過程會多次發生，並且產生多個類似的宇宙呢？

對於這個問題，林德給出了一個簡單但讓人有些難以理解的答案。他認為宇宙正在被不斷的創造出來，並且這樣的過程將會永遠地持續下去。

林德指出，當一個新生宇宙停止暴漲，它將仍然被一個持續暴漲的空間所包圍。這個暴漲的空間中產生出更多的宇宙，而它們的周圍也同樣是更多持續暴漲的空間。因此一旦暴漲開始，它應當會持續不斷地產生出大量的宇宙，也就是林德所謂的「永恆暴漲」。我們所在的宇宙或許只不過是一片無垠沙灘上的一顆沙粒而已。

那些宇宙可能會與我們生活的這個宇宙存在著深刻的差異。在另外一個宇宙中，空間或許有5個維度，而不是像我們宇宙中的3維，即寬度，長度和高度，那裡的引力作用或許要比我們強上10倍，但也有可能弱上1000倍，甚至根本就不存在引力。那裡的物質也可能是由完全不同性質的粒子所組成的。

因此完全有可能存在著許許多多形形色色的宇宙。林德表示所謂的「永恆暴漲」並非僅僅是「終極免費午餐」，它還是唯一一場你可以吃到任何一樣美食的方式。

儘管直到目前為止我們仍然還未能取得確鑿的證據證明其他宇宙的確存在，但這些理論本身卻已經為一句話賦予了全新的含義：「感謝一無所有」。

（編譯：晨風）