宇宙究竟源于“有”還是“無”？

羅伯特·阿黛勒 田也

一些物理學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的。

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

近年來，一些物理學家和宇宙學家已著手處理這個問題。他們指出，現在我們對宇宙的歷史和描述其運作原理的物理規律已經有了一定的了解，這些信息應該能為宇宙如何產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，這是個必然現象，因為在本質上，“無”是一種不穩定的狀態。

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

現在，問題又來了，世間萬物究竟是如何從“無”中產生的？

真空區域的粒子

首先，我們得先了解一下量子力學。量子力學是物理學的一個分支，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，是現在大多數電子產品的理論支撐。

根據量子理論，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，又瞬間消失。

這些被稱為虛粒子的物質稍縱即逝，無法被直接觀察到，但我們可以根據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構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。

相對論與量子力學迥然不同，而且迄今還沒有人能將二者完美地結合起來。然而，一些理論物理學家已經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·霍金在劍橋大學用這兩種理論對黑洞進行了描述。

量子物理學家發現，將量子理論應用到盡可能小的空間時，空間本身也變得不穩定了。此時，時間和空間開始不穩定，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。“如果空間和時間可以量子化，那么它們就會波動。”亞利桑那州立大學的勞倫斯·克勞斯說，“因此，你可以像創造虛粒子一樣創造虛擬時空。”

而且，如果這些氣泡有形成的可能，那么它們一定會形成。塔夫茨大學教授亞歷山大·維蘭金說：“在量子物理學中，如果某事未被禁止，那么它必然會發牛。”

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。

現在，多數物理學家認為宇宙源于一次大爆炸。最初，宇宙所有的質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，大爆炸發生了。這與20世紀早期發現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院的阿蘭·古斯在20世紀80年代最先提出，后來經斯坦福大學的安德烈·林德加工完善。

該理論認為，大爆炸后不到1秒的時間內，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，當初導致其膨脹的能量場轉化成了今天宇宙中的物質和能量。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急劇膨脹，微波背景輻射的分布很可能要比現在零散。

扁平宇宙的重要性

同時，膨脹理論也給宇宙學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形式：它可以平如桌面；也可以向內部彎曲如球體表面，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。還記得數學課上老師教給你的嗎？三角形的三個內角之和恰好是180度。實際上，你的老師漏掉了一個關鍵條件，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域的平均大小。2003年，科學家對這些區域進行了測量，這次測量的結果給了天文學家一個可供選擇的三角形。現在我們知道，這個結果就是：在可觀測的最大范圍內，宇宙是扁平的。這一點至關重要，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出的光，一定發端于某處。我們已經知道，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。

物質的能量恰好等于物質的重力勢能

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，另一邊是重力。

物理學家已經計算出，扁平宇宙中物質的能量恰好等于物質產生的重力的能量。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。量子力學告訴我們，“無”在本質上是不穩定的，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統沒有”。

那么，為什么這個過程就只發生過一次？如果可以憑空出現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生同樣的結果？

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生，而且這個過程會永遠持續下去。

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膨脹，這個膨脹著的空間會產生更多的宇宙，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，物質也很可能由完全不同的粒子構成。

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。）