宇宙中第一個量子場是如何產生的?

無論我們如何看待宇宙（在低溫或超高能量下，從我們的住所到可觀測宇宙中最遙遠的角落），我們會發現，物理定律都適用。基本常數保持不變、引力似乎在哪都一樣（不是大小）、量子躍遷和相對論效應相同。在所有時間點上，至少在我們可以觀察到的宇宙部分，廣義相對論（控制重力）和量子場論（控制其他已知力）似乎都以完全相同的形式應用。但一直都是這樣嗎？有沒有一段時間，宇宙中沒有相同的量子場，或者根本沒有量子場？

也許令人驚訝的是，即使在你意想不到的情況下，量子場仍然存在。這是我們目前所知道的。

如果你把一塊磁棒「掰」成兩半，它不會產生一個孤立的北極和南極，而是產生兩個新的磁體，每個都有自己的北極和南極。

當我們想到場的時候，我們大多數人的想法和19世紀科學家的想法是一樣的，當你有某種類型的源（比如電荷或永磁體）它會在空間的每一點在其周圍創造一個場。你可以通過觀察與這個場相互作用的各種電荷的變化來檢測這個場的存在。

鐵屑本身可以被磁化，它們可以沿著磁場的方向排列，從而對磁場做出反應。在有電場的情況下，電荷會受到一個依賴於電場強度的加速力。

即使是引力，無論在愛因斯坦還是牛頓的概念中，都可以被想像成一個場，在這個場中，任何形式的物質或能量都會對其在空間中所處位置的引力效應作出反應，從而決定其未來的軌跡。

然而，這種可視化，儘管很有用也很常見，卻只能在非量子環境下工作。這是經典場如何作用的一個很好的例子，但我們生活在一個基本的量子現實中。我們在經典世界中所設想的在量子宇宙中不再適用。

相反，量子場不僅存在於有源的地方（如質量或電荷），而是無所不在，無處不在。例如：

質量（重力），

電荷（磁場），

具有非零弱超荷（弱核力）的粒子，

或色荷（強核力），

它們表現得像場的激發態，但無論有沒有電荷，場都是存在的。更重要的是：場是量子化的，它的零點能量，被允許有非零值。

今天，費曼圖被用於計算包括強、弱和電磁力在內的各種基本相互作用，包括高能和低溫/凝聚態條件。即使在沒有粒子的情況下，費曼圖也存在，它代表了量子場的真空貢獻。

換句話說，我們所理解的「空空間」，沒有電荷，沒有質量，也沒有其他的場源，並不完全是空的，因為仍然有量子場存在其中。這意味著，由這些場的量子性質與海森堡測不準原理結合而產生的量子漲落也存在於整個空間，佔據了系統允許的所有可能的量子模式和狀態。

量子場論只是計算的一種方法，這並不像有一個實驗來測試這些量子場是否存在於真實的真空空間中。但有一個實驗，你可以拿兩個平行的導電板，把它們放在你能創造的最完美的真空中，那裡沒有任何物質，也沒有任何類型的源，只有真空中固有的量子場，包括基本的量子電磁場。

一個卡西米爾效應的說明，以及在板的外部的力是如何不同於板內部的力的。

除了這兩個板，所有這些量子場的可能狀態都是允許的，因為沒有限制哪些模式是禁止的。但在這些板塊內部，只有一部分量子場被允許存在，因為邊界條件阻止了某些電磁波的存在，從而也阻止了某些量子場的存在。即使這些電磁波沒有任何源，這些激發態在這些板的內部和外部都是不同的，在這些板上產生一個合力：卡西米爾力。

早在1948年，科學家亨德裡克·卡西米爾就預測到了這種力，但直到1997年，物理學家史蒂夫·拉莫羅才首次在實驗中檢測到這種力，並得到了與卡西米爾預測的系統誤差不超過5%的結果。這些量子場確實存在於整個空間，實驗不僅證明了它們的存在，還向我們展示了它們效應的大小。

已知量子場對真空的貢獻現在還無法實際計算出來，但如果我們有任意大的計算能力，就可以在理論上計算出來。

物理學家想知道的概念之一是，我們所知道的量子場是標準模型的一部分，還是與重力相關的（假定的）量子場的一部分，是否構成了滲透到空的空間的所有量子場？例如，是否可能有其他量子場產生於：

造成暗物質的原因

任何現象或

場

導致暗能量，

宇宙通貨膨脹階段遺留下來的任何場，

某種大統一帶來的新領域或互動，

或標準模型以外可能存在的任何其他奇特的新物理。

儘管物理定律不會隨著我們觀察到的條件而改變，但量子場的性質保證了量子耦合的強度，與粒子在量子場中所受到的作用力相對應，實際上是隨著能量和溫度的變化而變化的。

當你把耦合常數看作對數尺度上的能量函數時，它們幾乎忽略了另一個（左邊）。

在物理學中，我們稱之為「耦合常數的運行」，你可以把它想像成這些虛量子粒子佔據了更多的激發態模式，而與之相比，這些虛量子粒子佔據了更多的低能量基態模式。雖然這並不意味著統治宇宙的量子場在更早、更高能量的時代是不同的，但它暗示了一些東西：也許這些耦合常數在某一時刻統一，表明強、弱和電磁力可能是從一個更大的理論中產生的，在那裡所有的力都是統一的。

這個框架不僅提供了一種可能性，即額外的量子場可能會出現，並揭示它們在高能量下的效應，而且可能存在某種「終極統一」，或一種萬物理論。如果存在這樣一種狀態，你可以把它想像成一種恢復對稱的終極版本，就像把一個球放在一顆行星最高的山峰的頂端。

當對稱性被打破時，就像從山上滾下來，進入山谷的最低點。但如果你多次把球帶回到山頂，並儘可能地平衡它，它就不一定每次都以同樣的方式滾下來。取決於以下因素：

初始條件的細微差別，

小的，甚至量子，漲落，

宇宙以何種速度膨脹或冷卻，

以及新的磁場耦合的存在或缺失，

這種破壞的對稱性可能會以任意數量的最終狀態之一結束。沒有任何保證，如果我們讓時鐘回到某個極早的時間，我們的宇宙所遵循的物理定律和基本常數每次都是一樣的。就像我們相信我們「中了」宇宙彩票，因為我們讓人類生命出現在地球上，我們也有可能通過我們獲得的定律和常數而中了宇宙彩票。

多重、獨立的宇宙，在不斷膨脹的宇宙海洋中彼此偶然地斷開，這是對多元宇宙概念的一種描述。多元宇宙中可能出現不同的「口袋宇宙」，但沒人知道這些宇宙是否會有不同的定律或基本常數。

但是，當我們將時鐘倒轉到大爆炸的最早階段時，我們看不到證據表明宇宙曾經達到足夠的溫度，以至於理論上的統一實際上發生了。破壞對稱性時，會產生粒子，並且如果發生這種大統一，那麼它應該會產生大量的磁單極子。如果我們今天知道的量子場是從某個先前的狀態出現的，而先前它們並不存在，那麼該狀態必須限制在炙手可熱的大爆炸之前。

這是否意味著它們可能是在宇宙膨脹期間產生的？

這是可能的，但我們不知道。根據對膨脹過程中能量極限的推斷（這些能量本身來自於膨脹過程中產生的波動），膨脹可能還沒有達到足夠的能量來實現膨脹。儘管成功的膨脹模型需要一個多元宇宙，但假設不同的「口袋宇宙」中的常數或定律是不同的仍然是一種推測。

膨脹期間發生的量子漲落確實會在宇宙中拉伸，但它們也會導致總能量密度的漲落。這些場漲落導致早期宇宙的密度不完美，然後導致我們在宇宙微波背景中經歷的溫度漲落。

然而，有一件事是肯定的，那就是在膨脹期間一定還存在著一些不同種類的量子場。它們可能是，也可能不是今天存在的相同的量子場，可能在我們已知和的量子場之外，還有其他的量子場，但它們必須存在。我們是怎麼知道的？因為我們在宇宙中看到的漲落，這些漲落導致了最終形成的宇宙結構，與膨脹時期波動量子場預測的漲落完全吻合。

那些通常在微小的、微觀的量子尺度上發生的漲落，在膨脹過程中被延伸到整個宇宙，轉化為大爆炸開始時的溫度和密度漲落，並不可逆轉地印在宇宙上。我們觀察到的這些漲落和它們的結果，非常明確地告訴我們，這些量子場在膨脹過程中確實存在。

自從時空存在以來，量子場的某些版本一定也存在過。但是，在我們可觀測的宇宙中，永遠都無法觀測或獲取。在缺乏證據的情況下，我們必然要探索已知的極限，並將其與剩下的可能性相匹配。不管推測有多有趣和有益，事實是我們根本不知道。