浩瀚的宇宙來自「真空漲落」嗎？

撰文 | 邢志忠（中國科學院高能物理所研究員，研究方向為基本粒子物理學與粒子天體物理學理論）

來源 | 中科院之聲（ID：zkyzswx）

早在三百多年前，德國數學家戈特弗里德·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）就曾向浩瀚的宇宙發問：「Why is there something rather than nothing?」這個令科學家和哲學家困擾不已的問題在1973年終於有了一個答案：是真空（nothing）的量子漲落催生了今天的宇宙（something）！換句話說，「無中生有」可能是宇宙的真正起源，是宇宙大爆炸理論和暴脹理論的原始種子。

1973年12月，大名鼎鼎的英國《自然》（Nature）雜誌發表了一篇兩頁紙的學術論文，題目是「宇宙是真空漲落的產物嗎？」（Is the Universe a vacuum fluctuation?），作者是名不見經傳的美國紐約市立大學亨特學院的年輕教師愛德華·特萊恩（Edward Tryon）。據說特萊恩在寫出這篇立意大膽的理論文章之後，先將它投給了美國物理學會主辦的《物理評論快報》（Physical Review Letters），但卻很快就遭到了拒稿。時年33歲的特萊恩並沒有氣餒，轉而改投名氣更大的《自然》期刊，希望自己的論文能以「讀者來信」（a letter to the editor）的形式發表。結果出乎他本人的預料：《自然》編輯部不僅很快接受了這篇論文，而且還以「專題文章」（feature article）的形式正式刊出。

特萊恩在論文中指出，我們的浩瀚宇宙起源於看似一無所有的真空的量子漲落。熱力學第一定律告訴我們，能量是守恆的，既不能被創造也不能被消滅。因此「無中生有」意味著宇宙來自「零」能量的虛空，這樣才不會破壞能量守恆定律。特萊恩從德裔美國物理學家彼得·伯格曼（Peter Bergmann）那裡得知，假如物質的質量所對應的正能量與引力勢所對應的負能量恰好彼此相消，那麼宇宙就會處在凈能量等於零的真空狀態。其實這一觀點早在1934年就被美國物理學家理查德·托爾曼（Richard Tolman）在他的《相對論、熱力學與宇宙學》（Relativity, Thermodynamics and Cosmology）一書中提出來了。量子力學的奠基人之一帕斯誇爾·約丹（Pascual Jordan）當年為了解釋恆星可能起源於「一無所有」這一物理圖像，也假設了恆星的質量所對應的正能量恰好與它的引力勢所對應的負能量大小相等、相消為零。

假定宇宙的起點是真空之後，特萊恩下一步要做的事情就是描述真空的量子漲落何以生成今天的宇宙。他藉助的工具無外乎量子力學和量子場論，因為後者告訴我們：真空並不空，而是一個熱鬧非凡的地方----粒子與反粒子對在一定時間段內通過從真空借取能量而不斷地無中生有，表面上破壞能量守恆定律但其實遵循海森堡的測不準原理。這些從真空產生出來的「虛」粒子帶有與普通粒子相同的量子數，但是它們的能量與動量關係卻不同尋常。特萊恩設想，個別或少量「虛」粒子有可能「實在」化，並最終演變成廣袤無垠的宇宙。

但特萊恩無法說清楚真空漲落所產生的微觀「虛」粒子世界具體是以何種方式從極小尺度演變成了今天極大尺度的宏觀宇宙的。他的理論缺乏數學支撐，主要靠猜想和思辨，因此無法令人信服，至少在當時的科學界幾乎沒有受到任何關注。

而他關於宇宙中應該含有等量的物質和反物質的預言，今天看來也是錯誤的，因為我們在可觀測宇宙中並沒有發現原初反物質存在的跡象。據說特萊恩在1970年前後，即在他發表自己的那篇經典論文之前，曾經在哥倫比亞大學舉行的一場學術報告會上突然向演講者發問：「或許宇宙就是一種真空漲落？」（Maybe the Universe is a vacuum fluctuation?），在場的人都笑了，都以為他在開玩笑。處於窘迫之中的特萊恩並沒有當場解釋自己的想法，而是幾年後通過論文表達了他對宇宙起源的新見解。也許可以說，當時他的思想太超前了。

1981年1月，美國物理學會主辦的《物理評論D》（Physical Review D）期刊發表了一篇題為「暴脹的宇宙：關於視界和平坦性問題的一個可能的解決方案」（Inflationary Universe: A possible solution to the horizon and flatness problems）的論文，作者是年輕的理論物理學家阿蘭·古斯（Alan Guth）。這篇迄今為止已被引用6700餘次的文章成為大爆炸宇宙學發展史上的里程碑，因為它比較令人信服地回答了特萊恩的論文當年無法回答的問題：也許是某種形式的暗能量，比如真空能（vacuum energy），以迅雷不及掩耳之勢驅動了宇宙的瞬間暴脹，從而使得通過真空漲落而生成的微觀「虛」粒子世界得以瞬間膨脹到宏觀宇宙的規模。1997年，已經成為宇宙學大師級人物的古斯在自己的新書《暴脹的宇宙：探索宇宙起源的新理論》（The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origin）中對特萊恩的原創性思想給予了認可：「據我所知，第一個以科學的語言描述宇宙產生於一無所有的嚴肅建議是愛德華·特萊恩在1973年的論文中提出來的。」（To my knowledge, the first serious suggestion that the creation of the Universe from nothing could be described in scientific terms was the 1973 paper by Edward Tryon）。

正如1988年度的諾貝爾物理學獎得主利昂·萊德曼（Leon Lederman）在1993年追問的那樣：如果宇宙是答案，那麼什麼是問題？（If the Universe is the answer, what is the question?）毫無疑問，宇宙的起源就是問題。而宇宙可能起源於真空的量子漲落，則可能是這一基本問題的正確答案。

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