宇宙起源之謎:或從「虛空」中誕生?

宇宙起源一直是科學家研究的問題，在我們的眼中事物發展變化總是有一個起因的，宇宙也不可能憑空出現，但是科學實驗卻告訴我們，宇宙或許真的是在虛空中誕生。

全世界幾乎每一個古代文明都會有著自己對於宇宙誕生的解釋——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。

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

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」（virtualparticles）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

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（LawrenceKrauss）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。」

　　從「氣泡」中誕生的宇宙

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（AlanGuth）提出來的，隨後由現任職於史丹福大學的安德烈·林德（AndreiLinde）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

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，就像一張桌子的臺面；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。

儘管我們至今為止還是不知道宇宙從何而來，同時也提出了許多大膽的理論。但是對於宇宙的研究還在繼續，我們終會知道宇宙是從何而來的。

曹奎