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宇宙為何會(huì)存在？人們?yōu)檫@個(gè)問(wèn)題已經(jīng)爭(zhēng)論不休了幾千年。全世界幾乎每一個(gè)古代文明都會(huì)有著自己對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解釋——但盡管存在差異，但從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，他們 基本都將原因歸為某位神靈的創(chuàng)造。宇宙的起源問(wèn)題同時(shí)也是哲學(xué)界長(zhǎng)久以來(lái)探討的話題。然而在這場(chǎng)喧囂之中，科學(xué)界的聲音卻顯得格外微弱。
不過(guò)在最近幾年時(shí)間里，一部分物理學(xué)家和宇宙學(xué)家們終于開(kāi)始嘗試涉足這一終極問(wèn)題的探討。他們指出我們目前已經(jīng)大致了解了宇宙的歷史，并且也了解了可以對(duì)其進(jìn)行基本描述的物理學(xué)定律。他們認(rèn)為，借助以上這些信息，我們應(yīng)該就可以探尋宇宙如何存在以及為何存在這類問(wèn)題的答案。 天文學(xué)家們自己也承認(rèn)，他們對(duì)于這個(gè)問(wèn)題給出的回答聽(tīng)上去是充滿爭(zhēng)議的：他們認(rèn)為我們目前生活其中的，遍布恒星的宇宙最初是從一場(chǎng)劇烈的大爆炸中誕生的，而在那之前什么都不存在。天文學(xué)家們指出，大爆炸必然會(huì)發(fā)生，原因是“虛空”（nothing）本質(zhì)上是不穩(wěn)定的。 這樣的觀點(diǎn)或許聽(tīng)上去會(huì)顯得非常詭異，或感覺(jué)就是另外一個(gè)瘋狂的創(chuàng)世學(xué)說(shuō)。但物理學(xué)家們指出，這一理論是直接從物理學(xué)的兩大支柱，即量子力學(xué)和廣義相對(duì)論中推導(dǎo)出來(lái)的。 可是，從“虛空”之中誕生，這怎么可能呢？ 真空中的粒子
在探討這個(gè)問(wèn)題之前，我們首先應(yīng)該了解一下量子力學(xué)的一些觀點(diǎn)。量子力學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要分支，主要適用于非常微觀的世界，如原子甚至更加微小的粒子。這是一個(gè)極為成功的理論，它實(shí)際上構(gòu)成了現(xiàn)在我們使用的大部分電子器件背后的理論基礎(chǔ)。 量子力學(xué)告訴我們，并不存在所謂的“真空”。即便是最完美的真空之中實(shí)際上也充斥著粒子與反粒子，它們不斷誕生，然后幾乎在同時(shí)不斷湮滅。 這些所謂的“虛粒子”（virtual particles）存在的時(shí)間太過(guò)短暫，因而無(wú)法被直接測(cè)量到，但通過(guò)一些效應(yīng)，我們可以確信它們的確存在。 時(shí)空——從零空間和零時(shí)間開(kāi)始
從微觀事物，如原子，到宏觀事物，如星系。與描述微觀世界的量子力學(xué)不同，我們用于描述宏觀世界的理論則是廣義相對(duì)論。這是愛(ài)因斯坦一生最重要的成就，該理論描述了空間，時(shí)間和引力是如何運(yùn)作的。 相對(duì)論與量子力學(xué)不同，并且迄今都沒(méi)有任何人能夠?qū)⑦@兩者成功地統(tǒng)一起來(lái)。然而借助謹(jǐn)慎的近似方法，一些理論科學(xué)家的確已經(jīng)成功地在某些具體問(wèn)題上同時(shí)應(yīng)用這兩大理論。比如英國(guó)劍橋大學(xué)的史蒂芬·霍金教授對(duì)于黑洞的研究便是如此。 在這樣嘗試的過(guò)程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的一個(gè)情況就是，當(dāng)將量子力學(xué)應(yīng)用到在可能范圍內(nèi)最小尺度的空間中時(shí)，空間本身將變得不穩(wěn)定。在這樣的尺度上，空間不再顯示完美的平滑和連續(xù)，空間和時(shí)間都失去了其穩(wěn)定性，它們混雜在一起，形成了時(shí)空的泡沫。 換句話說(shuō)，微小的時(shí)空泡沫是可以自發(fā)形成的。美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)坦普爾分校的勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）表示：“如果時(shí)空是量子化的，它們就會(huì)發(fā)生漲落。因此正如你可以創(chuàng)造出虛粒子一樣，你也可以創(chuàng)造出虛時(shí)空。” 除此之外，如果這些時(shí)空泡沫的形成是可能的，那么它們就一定會(huì)形成。美國(guó)波士頓塔夫茨大學(xué)的亞歷山大·維蘭金（Alexander Vilenkin）指出：“在量子物理學(xué)中，如果某件事并非是被禁止的，那么它真的發(fā)生的概率就不為零。” 從“氣泡”中誕生的宇宙 宇宙微波背景輻射分布圖，這是宇宙大爆炸留下的余暉 于是，并非僅僅只有粒子和反粒子能夠從“虛空”之中誕生并消亡：時(shí)空的“氣泡”也同樣可以。但即便如此，想象一下一個(gè)無(wú)限小的時(shí)空氣泡要變成一個(gè)內(nèi)部包含有1000億個(gè)以上星系的巨大宇宙，這樣的跨越也實(shí)在太大了。難道不是嗎？即便這樣一個(gè)“氣泡”能夠形成，它也會(huì)在轉(zhuǎn)瞬之間再次消失。 但事實(shí)上，這樣的“氣泡”是有可能幸存下來(lái)的。但為了達(dá)成這樣的結(jié)果，我們還必須借助另外一項(xiàng)宇宙奇跡：暴漲。 大部分物理學(xué)家現(xiàn)在都同意我們生活其中的宇宙是從大爆炸開(kāi)端的。起初宇宙中所有的物質(zhì)和能量都被壓縮在一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)上，然后這個(gè)點(diǎn)爆炸了。之所以物理學(xué)家們能夠達(dá)成這樣的共識(shí)，主要源于20世紀(jì)早期的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)：觀測(cè)證據(jù)顯示宇宙正在膨脹。既然所有的星系都正在遠(yuǎn)離我們，那么在此之前的某一時(shí)刻，所有星系必定都曾經(jīng)聚集在一起。 而暴漲理論指出，在大爆炸之后的一個(gè)階段，宇宙曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)一段急速膨脹的過(guò)程。這一聽(tīng)上去有些荒謬的觀點(diǎn)最早是在上世紀(jì)80年代由美國(guó)麻省理工學(xué)院的阿蘭·古斯（Alan Guth）提出來(lái)的，隨后由現(xiàn)任職于斯坦福大學(xué)的安德烈·林德（Andrei Linde）進(jìn)行了修訂。 這 項(xiàng)理論的主要觀點(diǎn)包括：在大爆炸發(fā)生之后的一瞬間，量子尺度的空間突然經(jīng)歷難以想象的極速膨脹過(guò)程。在極短的時(shí)間內(nèi)，原始宇宙的大小便從比一個(gè)原子核還要 小，突然膨脹為一粒沙子的大小。當(dāng)這一膨脹過(guò)程最終減速時(shí)，驅(qū)動(dòng)這一過(guò)程的力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌涑饨裉煊钪婵臻g的物質(zhì)與能量，也因此，古斯將這一暴漲過(guò)程稱作“終 極免費(fèi)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(cè)現(xiàn)實(shí)的吻合度相當(dāng)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余暉， 這種微波輻射幾乎均勻地分布在宇宙的各個(gè)方向，構(gòu)成一種近似背景的模式。如果宇宙沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)如此快速的暴漲過(guò)程，那么這一輻射背景的均勻度應(yīng)當(dāng)會(huì)差得多。 宇宙是平坦的，這很重要 研究的結(jié)果顯示，從最大的可觀測(cè)尺度上來(lái)看，我們的宇宙是平坦的。宇宙是平坦的——這一點(diǎn)極其重要，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)平坦的宇宙才能從“虛無(wú)”中誕生 暴漲理論也給了宇宙學(xué)家們一把測(cè)量的工具，他們可以據(jù)此度量宇宙的幾何學(xué)特征。對(duì)這一問(wèn)題的研究結(jié)果對(duì)于我們理解宇宙如何從虛無(wú)之中誕生將具有關(guān)鍵意義。 愛(ài) 因斯坦的廣義相對(duì)論告訴我們，我們生活其中的時(shí)空可以三種形式存在。它可以表現(xiàn)為平坦的，就像一張桌子的臺(tái)面；它也可以具有正曲率，就像一個(gè)球體的表面， 在這種情況下，如果你旅行地足夠遙遠(yuǎn)，你將會(huì)回到你最初出發(fā)的地方；最后一種，宇宙也可以表現(xiàn)為負(fù)曲率，此時(shí)宇宙在幾何特征上的表現(xiàn)就像一個(gè)馬鞍。那么究 竟哪一種才符合實(shí)際情況？ 有一種方法可以找到答案。或許你還記得在你中學(xué)的數(shù)學(xué)課上，你的數(shù)學(xué)老師應(yīng)該曾經(jīng)告訴過(guò)你，三角形三個(gè)角的內(nèi)角和等于180度。但實(shí)際上你的數(shù)學(xué)老師還遺漏了一項(xiàng)重要的內(nèi)容，那就是這種情況只適用于平面。如果你在一個(gè)皮球的表面畫一個(gè)三角形，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它的三個(gè)角的內(nèi)角和會(huì)大于180度。反過(guò)來(lái)，如果你在一個(gè)具有負(fù)曲率的表面，比如一個(gè)馬鞍的表面畫一個(gè)三角形，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它的三個(gè)角的內(nèi)角和將是小于180度的。 那么這樣一來(lái)，要想判斷宇宙是否是平坦的，我們就要測(cè)量一個(gè)巨大三角形的內(nèi)角和。而這正是暴漲理論能夠發(fā)揮作用的地方，它決定了宇宙微波背景輻射中相對(duì)較為溫暖與較為寒冷的區(qū)域的平均大小分布。對(duì)這些區(qū)域大小的測(cè)定在2003年完成了，這樣天文學(xué)家們便有了許多的三角樣本可以進(jìn)行測(cè)量。這項(xiàng)研究的結(jié)果顯示，從最大的可觀測(cè)尺度上來(lái)看，我們的宇宙是平坦的。 宇宙是平坦的——這一點(diǎn)極其重要，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)平坦的宇宙才能從“虛無(wú)”中誕生。 所有現(xiàn)在存在的事物——恒星，星系以及我們借以看到世界的光線，所有這一切必定源自什么地方。我們已經(jīng)知道粒子可以在量子層面上從虛空之中誕生，而要想產(chǎn)生出宇宙中的全部恒星和行星，將需要巨大的能量才能實(shí)現(xiàn)。 可是宇宙本身究竟是從何處獲得這么多的能量的？詭異的是，它或許根本就不需要去獲取能量。這是因?yàn)橛钪嬷械娜魏挝矬w都會(huì)產(chǎn)生引力，這種引力會(huì)對(duì)其周圍的其他物質(zhì)產(chǎn)生一股拉力。這種引力將會(huì)平衡掉最初用于創(chuàng)造物質(zhì)的的能量本身。 這就有點(diǎn)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(zhì)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(zhì)的重量。 物理學(xué)家們的計(jì)算顯示，在一個(gè)平坦的宇宙中，物質(zhì)中所蘊(yùn)含的能量恰好被這些物質(zhì)產(chǎn)生的引力所具有的能量所平衡掉。但這一點(diǎn)也僅僅適用于平坦宇宙的情形。如果宇宙具有曲率，那么這兩者將難以相互抵消。 單一宇宙還是多重宇宙？
到了這一步，創(chuàng)建一個(gè)宇宙看起來(lái)似乎很容易了。量子力學(xué)告訴我們“虛空”是不穩(wěn)定的，于是一開(kāi)始從“什么都沒(méi)有”到“有什么”這一步似乎是不可避免的。隨后 在經(jīng)歷暴漲過(guò)程之后，大爆炸中產(chǎn)生的那個(gè)微小的時(shí)空“氣泡”迅速膨脹并最終成為我們今天看到的這個(gè)巨大而繁忙的宇宙。正如克勞斯所指出的那樣：“根據(jù)我們 所了解的物理學(xué)原理，我們的宇宙應(yīng)當(dāng)是從‘空無(wú)一物’之中誕生的——沒(méi)有空間，沒(méi)有時(shí)間，沒(méi)有粒子，沒(méi)有任何我們已知的東西。” 那么這一過(guò)程為何只發(fā)生了一次呢？如果可以有一個(gè)時(shí)空“氣泡”從虛無(wú)之中誕生，并經(jīng)歷暴漲之后成為我們生活其中的宇宙，那么有沒(méi)有可能這樣的過(guò)程會(huì)多次發(fā)生，并且產(chǎn)生多個(gè)類似的宇宙呢？ 對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，林德給出了一個(gè)簡(jiǎn)單但讓人有些難以理解的答案。他認(rèn)為宇宙正在被不斷的創(chuàng)造出來(lái)，并且這樣的過(guò)程將會(huì)永遠(yuǎn)地持續(xù)下去。 林德指出，當(dāng)一個(gè)新生宇宙停止暴漲，它將仍然被一個(gè)持續(xù)暴漲的空間所包圍。這個(gè)暴漲的空間中產(chǎn)生出更多的宇宙，而它們的周圍也同樣是更多持續(xù)暴漲的空間。因 此一旦暴漲開(kāi)始，它應(yīng)當(dāng)會(huì)持續(xù)不斷地產(chǎn)生出大量的宇宙，也就是林德所謂的“永恒暴漲”。我們所在的宇宙或許只不過(guò)是一片無(wú)垠沙灘上的一顆沙粒而已。 那些宇宙可能會(huì)與我們生活的這個(gè)宇宙存在著深刻的差異。在另外一個(gè)宇宙中，空間或許有5個(gè)維度，而不是像我們宇宙中的3維，即寬度，長(zhǎng)度和高度，那里的引力作用或許要比我們強(qiáng)上10倍，但也有可能弱上1000倍，甚至根本就不存在引力。那里的物質(zhì)也可能是由完全不同性質(zhì)的粒子所組成的。 因此完全有可能存在著許許多多形形色色的宇宙。林德表示所謂的“永恒暴漲”并非僅僅是“終極免費(fèi)午餐”，它還是唯一一場(chǎng)你可以吃到任何一樣美食的方式。 盡管直到目前為止我們?nèi)匀贿€未能取得確鑿的證據(jù)證明其他宇宙的確存在，但這些理論本身卻已經(jīng)為一句話賦予了全新的含義：“感謝一無(wú)所有”。 |
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