宇宙中的量子場最早是何時形成的？

量子引力理論試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學結合在一起。

　　無論我們如何觀察宇宙，是在低溫下還是在極端高能量之下，是地球附近還是可觀測宇宙的最遠處，我們都會觀察到相同的物理法則。基本常數相同，引力表現相同，量子轉換與相對論效應也完全相同。在可觀測宇宙中的任意時間點上，廣義相對論（主宰引力）與量子場理論（主宰其它已知力）的應用形式似乎都與地球上別無二致。但情況一直如此嗎？宇宙中的量子場有沒有可能曾經不同過？甚至一度根本沒有量子場？眾籌網站Patreon的支持者克裡斯•肖（Chris Shaw）很想知道這些問題的答案，於是他問道：

　　「宇宙中的第一批量子場是何時形成的？它們是自從宇宙大爆炸以來就一直存在嗎？會不會甚至比這更早、形成於大爆炸之前的膨脹期呢？」

　　量子場甚至在我們意想不到的條件下也有可能存在。對於量子場，我們目前掌握了如下信息。

圖為一根長條形磁鐵的磁場示意圖。這根磁鐵是一個「磁偶極子」，即磁場的南極和北極結合在了一起。

　　說到「場」，大多數人的認知也許與19世紀的科學家相同：假如有一個電荷或一塊永磁體，它就會在空間中的各個方向上形成一個圍繞自身的場。無論有沒有其它粒子受其影響，這個場都存在。但你可以通過各類電荷與場的相互作用，探測到場的存在（以及場可以影響的對象與影響方式）。

　　例如，鐵粉在磁場中可以按照磁場方向排列開來。電荷在電場中（或者在磁場中運動時）會在力的作用下加速，具體取決於場的強度。

　　在愛因斯坦和牛頓的概念體系中，就連引力也可以被描述成場，任何形式的物質或能量都會受其在空間中的位置上受到的累積引力效應影響，從而決定了它未來的運動軌跡。

在愛因斯坦和牛頓的引力概念中的任何參考系中，都可以建立起引力場模型。

　　然而，這種可視化描述雖然很有用、也很常見，但只有在非量子設定下才能成立。它很好地體現了經典場的運作機制，但我們所在的現實與量子息息相關。按照我們對經典物理世界的感知，場是平滑且連續的，並且從理論最小值到理論最大值這條「譜線」上，場的特性在任意一點均存在。然而，在量子宇宙中，這一切全都行不通。

　　量子場不僅存在於源頭周圍（如質量或電荷），而是無處不在。如果有質量（對應引力）、電荷（對應電磁）、一個帶非零弱超荷的粒子（對應弱核力）、或者一個色荷（對應強核力），它們便會表現為場的激發態，但無論這些場源是否存在，場的存在都不受影響。不僅如此，這個場還是量子化的，並且其零點能量（或者說它可以擁有的最低能量水平）可以為零值。

如今，費曼圖被用於計算強核力、弱核力和電磁力之間的每一種基本相互作用，包括在高能、低溫或凝聚狀態下。

　　換句話說，我們所理解的沒有電荷、沒有質量或任何場源的「真空」並非真的空無一物，而是擁有上述量子場。這就意味著，空間中也充滿了場的量子性質與海森堡不確定性原理結合產生的量子波動，佔據了每一種可能的量子模式和量子態（這些量子態被佔據的概率是特定的、並且從理論上來說是可以計算出來的）。

　　你也許會對此持懷疑態度，心想：「那又怎麼樣呢？量子場理論只是一種計算方法罷了，又不能驗證這些量子場在真空中存在與否。」但事實上，我們可以利用它來做實驗。取兩塊平行的導電板，放置在你能製造出的最完美的真空中，其中不存在任何物質和任何種類的場源，只有真空自帶的量子場，包括最基本的量子電磁場。

　　在這兩塊導電板之外，這些量子場的所有可能狀態都可以存在，對量子模式沒有任何限制。但在導電板內部，只有一部分量子場可以存在，因為有些邊界條件阻止了特定電磁波的產生，導致量子場的部分激發態也無法存在。就算沒有任何電磁波來源，這些激發場態在板內外也是不同的，從而在板上產生了一股叫做卡西米爾力的合力。

卡西米爾效應的示意圖。可以看出，兩塊板內部和外部所受的力（以及電磁場狀態）是不同的。

　　卡西米爾力最早於1948年由亨德裡克•卡西米爾（Hendrik Casimir）提出預測，但一直到1997年，才在實驗中被證實探測到。物理學家斯蒂夫•拉莫雷（Steve Lamoreaux）成功完成了實驗，得出的結果處於卡西米爾預測值的5%範圍內。這些量子場的確在空間中無處不在。此次實驗不僅證明了量子場的存在，還顯示了這些場的影響強度。

　　物理學家想弄清的一個概念是，真空中的量子場是否全部由我們所知的量子場（即屬於標準模型和與引力關聯的量子場）構成，還是也包含其它量子場。例如，以下這些來源也可能產生量子場：暗物質的來源、產生暗能量的現象或場、宇宙膨脹期殘留的場、大一統理論體系形成的新場或新相互作用、或者標準模型之外的任何全新物理現象（包括但不限於新的力或粒子等等）。

已知量子場在真空中所佔的分量目前還無法真正計算出來，但從理論上來說，這是可以計算出來的。

　　雖然在我們觀察到的情況下，無論是在粒子加速器中、還是在宇宙大爆炸可觀測的最早階段，物理法則都不會變化，但量子場的性質確保了量子耦合的強度（與粒子在量子場中感受到的力相一致）會作為能量和溫度的函數發生改變。

　　在物理學中，我們將這稱作「耦合常數的跑動」。你可以這樣理解：這些虛擬量子粒子佔據的激發態模式比低能基態模式要多。雖然這並不意味著在宇宙早期的高能量時期、主宰宇宙的量子場與今日有所不同，但它也說明了某些事情：這些耦合常數也許曾在某一時刻統一過，說明強核力、弱核力和電磁力也許都源自同一套大一統理論。在這套理論之下，所有力都實現了統一。

如果將耦合常數表示為雙對數坐標軸上的函數，它們就會如左圖所示、彼此失之交臂。

　　這套框架不僅提供了其它量子場存在的可能性、揭露了這些量子場在高能量下的影響，還說明宇宙中也許存在一套「終極大一統理論」、或者說「萬物理論」。假如這種狀態真的存在，你可以將其想像為恢復對稱性的終極形式，就像把一個球放在行星上最高山的山頂一樣。

　　假如對稱被打破，球就會滾下山、落入沿路遇到的某個山谷的最低點。但如果你把球放回山頂，多試幾次，儘可能讓球取得平衡，這個球不一定每次都會沿同一條路徑滾落，具體取決於以下因素：初始條件的微小差別，微小的、甚至量子級別的波動，宇宙膨脹或冷卻的速度、以及新場耦合的存在與否。

當對稱性恢復時，一切都是對稱的，各狀態的優先級相同。當對稱性在低能量下被打破，各方向的自由度不同。

　　對稱性一旦被打破，最後可能擁有多種最終態。假如我們將時間撥回最初的最初，也不能保證每次都能演化出相同的物理法則和基本常數。就像我們相信地球上出現人類純屬運氣使然一樣，宇宙如今擁有這些物理法則和常數，也可能只是碰巧「中獎」而已。

　　不過，當我們回溯到宇宙大爆炸的最早期階段，並沒有證據顯示，宇宙曾經達到過上述理論大一統（以及恢復對稱性）所需的溫度。當對稱性被打破時，就會產生粒子；如果這類大一統真的發生過，就應當會產生大量磁單極子。而這種粒子在宇宙中顯然不存在。如果我們如今所知的量子場源自更早的時期，該時期一定處於宇宙大爆炸之前。

　　這是否意味著，量子場可能是在宇宙膨脹期形成的呢？

圖為多個各自獨立的宇宙的示意圖。這些宇宙分布在一個不斷擴張的宇宙「海洋」中，彼此不存在任何因果關係。

　　有可能，但我們無法確定。根據我們推斷出的、宇宙膨脹期的能量上限，膨脹期的能量也許不曾達到過形成量子場所需的水平。雖然膨脹期模型需要引入多重宇宙的概念才能成立，但「不同『口袋宇宙』中的常數或法則也不同」的猜測還是太偏臆斷了。

　　不過有一點是肯定的：某些類型的量子場在膨脹期一定存在。它們和如今的量子場也許相同，也許不同，也許超出了我們所知的量子場範圍，但無論如何都一定存在。我們是如何得知這一點的呢？這是因為，我們如今在宇宙中觀察到的波動與根據膨脹期間存在的量子場波動預測出的結果完全一致。

宇宙膨脹期間的量子波動的確被拉長了，但也導致了總能量密度的波動。

　　這些波動一般發生在微觀尺度的量子級別上。在宇宙膨脹期間，這些波動在整個宇宙範圍內被拉長，轉化成了宇宙大爆炸開始時的溫度與密度波動，並在宇宙中留下了不可抹除的印記。我們如今能觀察到這些波動和它們造成的結果，說明這些量子場在宇宙膨脹期間是存在無疑的。

　　時空已經存在了多久，某些類型的量子場就必定存在了多久。但在膨脹期的最後一刻之前，宇宙中究竟發生了什麼，我們將永遠無從得知，因為這已經超出了可觀測宇宙的範圍。由於缺少證據，我們只能不斷探索已知信息的極限，並將它們與宇宙中殘留的信息進行匹配。雖然我們開展的推測很有意思、也很符合直覺，但真相如何，我們將永遠無從知曉。（葉子）