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不敢相信:宇宙竟是从虚空中诞生

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据英国广播公司(BBC)网站报道,宇宙为何会存在?人们为这个问题已经争论不休了几千年。全世界几乎每一个古代文明都会有着自己对于这个问题的解释——但尽管存在差异,但从本质上来说,他们基本都将原因归为某位神灵的创造。宇宙的起源问题同时也是哲学界长久以来探讨的话题。然而在这场喧嚣之中,科学界的声音却显得格外微弱。

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不过在最近几年时间里,一部分物理学家和宇宙学家们终于开始尝试涉足这一终极问题的探讨。他们指出我们目前已经大致了解了宇宙的历史,并且也了解了可以对其进行基本描述的物理学定律。他们认为,借助以上这些信息,我们应该就可以探寻宇宙如何存在以及为何存在这类问题的答案。

天文学家们自己也承认,他们对于这个问题给出的回答听上去是充满争议的:他们认为我们目前生活其中的,遍布恒星的宇宙最初是从一场剧烈的大爆炸中诞生的,而在那之前什么都不存在。天文学家们指出,大爆炸必然会发生,原因是“虚空”(nothing)本质上是不稳定的。

这样的观点或许听上去会显得非常诡异,或感觉就是另外一个疯狂的创世学说。但物理学家们指出,这一理论是直接从物理学的两大支柱,即量子力学和广义相对论中推导出来的。

可是,从“虚空”之中诞生,这怎么可能呢?

真空中的粒子

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“斯蒂芬五重星系”。哈勃空间望远镜拍摄图像

在探讨这个问题之前,我们首先应该了解一下量子力学的一些观点。量子力学是物理学的一个重要分支,主要适用于非常微观的世界,如原子甚至更加微小的粒子。这是一个极为成功的理论,它实际上构成了现在我们使用的大部分电子器件背后的理论基础。

量子力学告诉我们,并不存在所谓的“真空”。即便是最完美的真空之中实际上也充斥着粒子与反粒子,它们不断诞生,然后几乎在同时不断湮灭。

这些所谓的“虚粒子”(virtual particles)存在的时间太过短暂,因而无法被直接测量到,但通过一些效应,我们可以确信它们的确存在。

时空——从零空间和零时间开始

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或许多重宇宙就像这些气泡一样

从微观事物,如原子,到宏观事物,如星系。与描述微观世界的量子力学不同,我们用于描述宏观世界的理论则是广义相对论。这是爱因斯坦一生最重要的成就,该理论描述了空间,时间和引力是如何运作的。

相对论与量子力学不同,并且迄今都没有任何人能够将这两者成功地统一起来。然而借助谨慎的近似方法,一些理论科学家的确已经成功地在某些具体问题上同时应用这两大理论。比如英国剑桥大学的史蒂芬·霍金教授对于黑洞的研究便是如此。

在这样尝试的过程中,科学家们发现的一个情况就是,当将量子力学应用到在可能范围内最小尺度的空间中时,空间本身将变得不稳定。在这样的尺度上,空间不再显示完美的平滑和连续,空间和时间都失去了其稳定性,它们混杂在一起,形成了时空的泡沫。

换句话说,微小的时空泡沫是可以自发形成的。美国亚利桑那州立大学坦普尔分校的劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)表示:“如果时空是量子化的,它们就会发生涨落。因此正如你可以创造出虚粒子一样,你也可以创造出虚时空。”

除此之外,如果这些时空泡沫的形成是可能的,那么它们就一定会形成。美国波士顿塔夫茨大学的亚历山大·维兰金(Alexander Vilenkin)指出:“在量子物理学中,如果某件事并非是被禁止的,那么它真的发生的概率就不为零。”

从“气泡”中诞生的宇宙

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宇宙微波背景辐射分布图,这是宇宙大爆炸留下的余晖

于是,并非仅仅只有粒子和反粒子能够从“虚空”之中诞生并消亡:时空的“气泡”也同样可以。但即便如此,想象一下一个无限小的时空气泡要变成一个内部包含有1000亿个以上星系的巨大宇宙,这样的跨越也实在太大了。难道不是吗?即便这样一个“气泡”能够形成,它也会在转瞬之间再次消失。

但事实上,这样的“气泡”是有可能幸存下来的。但为了达成这样的结果,我们还必须借助另外一项宇宙奇迹:暴涨。

大部分物理学家现在都同意我们生活其中的宇宙是从大爆炸开端的。起初宇宙中所有的物质和能量都被压缩在一个无限小的点上,然后这个点爆炸了。之所以物理学家们能够达成这样的共识,主要源于20世纪早期的一项重要发现:观测证据显示宇宙正在膨胀。既然所有的星系都正在远离我们,那么在此之前的某一时刻,所有星系必定都曾经聚集在一起。

而暴涨理论指出,在大爆炸之后的一个阶段,宇宙曾经经历过一段急速膨胀的过程。这一听上去有些荒谬的观点最早是在上世纪80年代由美国麻省理工学院的阿兰·古斯(Alan Guth)提出来的,随后由现任职于斯坦福大学的安德烈·林德(Andrei Linde)进行了修订。

这项理论的主要观点包括:在大爆炸发生之后的一瞬间,量子尺度的空间突然经历难以想象的极速膨胀过程。在极短的时间内,原始宇宙的大小便从比一个原子核还要小,突然膨胀为一粒沙子的大小。当这一膨胀过程最终减速时,驱动这一过程的力场转变为充斥今天宇宙空间的物质与能量,也因此,古斯将这一暴涨过程称作“终极免费午餐”。

然而更加让人感到诡异的是,这一诡异的理论竟然与观测现实的吻合度相当好。尤其是,它可以非常好的解释宇宙微波背景辐射的存在,这是大爆炸留下的微弱余晖,这种微波辐射几乎均匀地分布在宇宙的各个方向,构成一种近似背景的模式。如果宇宙没有经历过如此快速的暴涨过程,那么这一辐射背景的均匀度应当会差得多。

宇宙是平坦的,这很重要

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研究的结果显示,从最大的可观测尺度上来看,我们的宇宙是平坦的。宇宙是平坦的——这一点极其重要,因为只有一个平坦的宇宙才能从“虚无”中诞生

暴涨理论也给了宇宙学家们一把测量的工具,他们可以据此度量宇宙的几何学特征。对这一问题的研究结果对于我们理解宇宙如何从虚无之中诞生将具有关键意义。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们,我们生活其中的时空可以三种形式存在。它可以表现为平坦的,就像一张桌子的台面;它也可以具有正曲率,就像一个球体的表面,在这种情况下,如果你旅行地足够遥远,你将会回到你最初出发的地方;最后一种,宇宙也可以表现为负曲率,此时宇宙在几何特征上的表现就像一个马鞍。那么究竟哪一种才符合实际情况?

有一种方法可以找到答案。或许你还记得在你中学的数学课上,你的数学老师应该曾经告诉过你,三角形三个角的内角和等于180度。但实际上你的数学老师还遗漏了一项重要的内容,那就是这种情况只适用于平面。如果你在一个皮球的表面画一个三角形,你会发现它的三个角的内角和会大于180度。反过来,如果你在一个具有负曲率的表面,比如一个马鞍的表面画一个三角形,你会发现它的三个角的内角和将是小于180度的。

那么这样一来,要想判断宇宙是否是平坦的,我们就要测量一个巨大三角形的内角和。而这正是暴涨理论能够发挥作用的地方,它决定了宇宙微波背景辐射中相对较为温暖与较为寒冷的区域的平均大小分布。对这些区域大小的测定在2003年完成了,这样天文学家们便有了许多的三角样本可以进行测量。这项研究的结果显示,从最大的可观测尺度上来看,我们的宇宙是平坦的。

宇宙是平坦的——这一点极其重要,因为只有一个平坦的宇宙才能从“虚无”中诞生。

所有现在存在的事物——恒星,星系以及我们借以看到世界的光线,所有这一切必定源自什么地方。我们已经知道粒子可以在量子层面上从虚空之中诞生,而要想产生出宇宙中的全部恒星和行星,将需要巨大的能量才能实现。

可是宇宙本身究竟是从何处获得这么多的能量的?诡异的是,它或许根本就不需要去获取能量。这是因为宇宙中的任何物体都会产生引力,这种引力会对其周围的其他物质产生一股拉力。这种引力将会平衡掉最初用于创造物质的的能量本身。

这就有点像是一把旧式秤杆,你在一头放上重物,而在另一端放置砝码,直到两者的重量相等。而在宇宙的案例中,物质被放在了秤杆的一端,放在秤杆另一端的砝码就是引力,它必须能够平衡掉物质的重量。

物理学家们的计算显示,在一个平坦的宇宙中,物质中所蕴含的能量恰好被这些物质产生的引力所具有的能量所平衡掉。但这一点也仅仅适用于平坦宇宙的情形。如果宇宙具有曲率,那么这两者将难以相互抵消。

单一宇宙还是多重宇宙?

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在宇宙的案例中,物质被放在了秤杆的一端,放在秤杆另一端的砝码就是引力,它必须能够平衡掉物质的重量

到了这一步,创建一个宇宙看起来似乎很容易了。量子力学告诉我们“虚空”是不稳定的,于是一开始从“什么都没有”到“有什么”这一步似乎是不可避免的。随后在经历暴涨过程之后,大爆炸中产生的那个微小的时空“气泡”迅速膨胀并最终成为我们今天看到的这个巨大而繁忙的宇宙。正如克劳斯所指出的那样:“根据我们所了解的物理学原理,我们的宇宙应当是从‘空无一物’之中诞生的——没有空间,没有时间,没有粒子,没有任何我们已知的东西。”

那么这一过程为何只发生了一次呢?如果可以有一个时空“气泡”从虚无之中诞生,并经历暴涨之后成为我们生活其中的宇宙,那么有没有可能这样的过程会多次发生,并且产生多个类似的宇宙呢?

对于这个问题,林德给出了一个简单但让人有些难以理解的答案。他认为宇宙正在被不断的创造出来,并且这样的过程将会永远地持续下去。

林德指出,当一个新生宇宙停止暴涨,它将仍然被一个持续暴涨的空间所包围。这个暴涨的空间中产生出更多的宇宙,而它们的周围也同样是更多持续暴涨的空间。因此一旦暴涨开始,它应当会持续不断地产生出大量的宇宙,也就是林德所谓的“永恒暴涨”。我们所在的宇宙或许只不过是一片无垠沙滩上的一颗沙粒而已。

那些宇宙可能会与我们生活的这个宇宙存在着深刻的差异。在另外一个宇宙中,空间或许有5个维度,而不是像我们宇宙中的3维,即宽度,长度和高度,那里的引力作用或许要比我们强上10倍,但也有可能弱上1000倍,甚至根本就不存在引力。那里的物质也可能是由完全不同性质的粒子所组成的。

因此完全有可能存在着许许多多形形色色的宇宙。林德表示所谓的“永恒暴涨”并非仅仅是“终极免费午餐”,它还是唯一一场你可以吃到任何一样美食的方式。

尽管直到目前为止我们仍然还未能取得确凿的证据证明其他宇宙的确存在,但这些理论本身却已经为一句话赋予了全新的含义:“感谢一无所有”。(晨风)

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