量子力学19：宇宙如何无中生有

上一篇我们了解到，因为退相干速度太快，你不会在宏观世界看到量子叠加态。那么量子力学的那些“量子的”性质 —— 叠加态、随机性、量子隧穿这些东西 —— 对宏观世界有什么用吗？其实物理学家一开始也不知道这些到底有啥用，惠勒有一句话是这么说的 [1] ——

“遇见量子，就如同一个远方的探索者第一次看见汽车。这个东西肯定是有用的，而且有重要用处，但是到底有什么用呢？”

这一讲开始，我们来说一些量子力学的应用。咱们先说最大的应用：宇宙。

我们的宇宙是这个样子，可能多亏了量子力学。

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只要你喜欢思辨，哪怕你没有任何现代化的观测手段，单凭仰望星空，你也能问出一些有意思的问题来，而且你还可能猜到答案。比如说，古代所有哲学家可能都思考过这个问题：宇宙的万事万物都是从哪来的？古人给过各种答案，但是我敢说，最接近现代科学的答案，是来自中国东汉末年的年轻的天才，曹操的女婿，何进的孙子，著名的玄学家，何晏。

何晏的推理差不多是这样的。万事万物各有各的形状、颜色和声音，但是从概念分类来说，应该是越高级就越有普遍意义，越单一化；越低级就越具体，越多样化。比如鸡和鸭，你知道是什么样子；但要是说“鸟”是什么，形象就不具体了；再往高走，“生命”是什么？你就根本想不出一个形状来。那么以此类推，万物的总起源，必定是一个没有形状、颜色和声音的东西。

这个最高级的起源也好，宇宙的规律、也就是“道”也好，必定是“无”。何晏说：「有之为有，恃'无’以生；事而为事，由无以成。」

你看这比希腊神话说的“混沌生了大地女神盖亚”、希腊哲学家泰勒斯说的“水是万物之源”是不是高级多了。如果万物起源于水，那水又是从哪来的呢？事实上，现代科学认为宇宙包括了万事万物，而且宇宙的确有一个大爆炸式的起源：既然大爆炸之前什么都没有，宇宙的起源就的确只能是“无”。

但是你还可以接着问一个问题：“无”，是怎么生出“有”来的呢？它为什么不一直保持“没有”的状态呢？

古代哲学家不可能想明白。这就得指望量子力学了。

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在所有的学说中，量子力学是唯一一个允许事情无缘无故就发生的理论。这个原子一直都好好的，为啥突然衰变了？没有原因。无中生有对量子力学是个日常行为，量子力学认为真空都不是真正空的，随时随地都会冒出一对虚拟粒子、又互相湮灭掉……那从“无”中冒出一个宇宙来，似乎也不是不可能。

现在物理学家对宇宙到底是怎么起源的并没有达成一致，理论模型很多但是证据不足。咱们挑两个最著名的说法，它们都涉及到量子力学。

一个是史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的“无边界建议（no-boundary proposal）”。1983 年，霍金和詹姆斯·哈特尔（James Hartle）提出，大爆炸并不需要一个“奇点”，宇宙的起源过程是像下面这个毽子的形状 ——

要点是它有一个非常平滑的开始。霍金说宇宙开始之前，只有空间而没有时间 —— 既然没有时间，那也就谈不上什么“之前”了，这才是真正的“无”。宇宙处于一个量子叠加态，它可以有各种各样的历史，可以用一个波函数描写。然后突然之间，宇宙的波函数发生了坍缩，时间开始了。最初是虚的时间，后来变成了真正的时间，再后来才是暴涨，然后才演化出万事万物。

霍金说我们经历的只是宇宙众多可能的历史中的一个，甚至都不是可能性最大的一个。还有很多别的宇宙也无缘无故地起源了，不过它们大多数都会因为“爆”得不够好而立即消失，宇宙们就好像冒泡一样不断地起源不断地消失 —— 而我们这个宇宙幸运地存活了下来。

这个理论的缺点是它保留了太多的可能的宇宙，让人觉得是不是有点太贵了；优点则是它去除了“宇宙之前”的问题，并且提供了无中生有的机制。这两个特点都是量子力学给的。

霍金的模型在科普界比较流行，这是因为霍金善于写畅销书。其实在学术界，另一个模型可能更受欢迎。

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“暴涨”理论的创始人阿兰·古斯（Alan Harvey Guth），早在 1981 年就提出了另一种无中生有的可能性。古斯的理论不需要对时间打什么主意，只要给一小块真空区域，就有可能爆发出来一个新的宇宙。

量子力学认为真空并不是绝对“空”的。不确定性原理要求能量在哪里都不能绝对是零 —— 不然就成了确定的了。所以哪怕在真空之中，也会有一个小小的能量涨落，称之为真空的“零点能”。这个零点能就是空间的最低能量。

古斯的提议是，同样是出于某种量子力学效应，某一处空间会非常偶然地得到一个比零点能略高一点的能量，大约相当于比如说原子走向了第二个能级的“激发态”。这件事本来是无害的，因为那个能量也很低，发生不了什么，这就相当于是一个“假真空”。

对空间中的这一点来说，假真空的能量相当于是所有可能性之中的一个局部的最低点，而真真空的能量是全局最低点，本来假真空也比较稳定，不会变成真真空。但是因为量子隧道效应，突然某一时刻，假真空就衰变到了真真空。结果宇宙起源了。

空间中的这一点因为假真空衰变而获得了一点点多余的能量，这点能量提供了一个负压力，而根据广义相对论，这个负压力变成了向外迸发的“反引力”，使得宇宙开始暴涨。暴涨是比“大爆炸”快得多的过程，相当于是空间各处同时发生大爆炸。空间拉开，引力提供了负的势能，那么根据能量守恒，空间各处就会衰变出正能量，这就是物质的起源。最早期的物质主要是光子，后来有了夸克、电子，又有了质子、中子……一直到今天的宇宙。

而这一切都起源于一次量子隧穿。按古斯这个说法，宇宙起源于真空中冒的一个泡。那你可能会说，我们今天的宇宙中大部分空间也是接近真空的啊，那万一哪个地方再冒一个这样的泡，再来一次暴涨，创生一个新的宇宙，把我们现在这个宇宙给毁了怎么办？这个别担心，真空衰变的概率是极低极低的，平均发生一次的间隔时间比我们这个宇宙的年龄大了很多很多倍 [2]。

所以古斯的理论说量子力学让宇宙起源，量子力学还让宇宙不容易起源……而你应该为这两个特点都表示感谢。那到底古斯说得对还是霍金说得对呢？现在没有足够的证据。不管宇宙是怎么起源的，最初的暴涨都留下了一个痕迹，未来对这个痕迹做更精确的观测，也许就能找到宇宙起源的直接证据。这个痕迹就是“宇宙微波背景辐射”。

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微波背景辐射来自于宇宙最初的光，它给今天的宇宙各处提供了 2.7 K 的保底温度，是宇宙留给天体物理学家的礼物 [3]。我们可以从背景辐射中看到很多有意思的东西，而其中最有意思的一点则是，为什么宇宙是如此均匀的？

其实你仰望星空也能看出来这一点。抬眼望去，各个方向的星星差不多一样多，并不是所有的星星都集中在一个地方。这个现象是物理学家心中一个信仰，叫“宇宙学原则（Cosmological principle）”：在大尺度下，宇宙是均匀和各向同性的，哪里都不特殊 [4]。

其实就从这个“不特殊”，哪怕没有其他证据，我们就已经可以猜到宇宙应该有一个起源了。不然的话宇宙这么大，各个地方距离这么远，它们是怎么互通信息协调的，才能表现得如此相似的呢？这就如同社会上有一群人，虽然分布在世界各地，想法和做法却非常相似，那你有理由怀疑它们是同一个大学毕业的。宇宙的均匀说明宇宙中的物质以前是聚集在一起的。

宇宙起源学说，特别是暴涨理论，能解释宇宙的均匀性。但是从另一方面来说，宇宙要是太均匀了也不行。如果宇宙是绝对均匀的，那些基本粒子就会均匀地分布在空间各处，对吧？可是这样一来又怎么能形成那么多恒星呢？恒星是物质聚集的产物，而且根据恒星的寿命，它们必须在很早的时候就聚集了那么多物质。之所以这里有物质而那里没有，恰恰说明宇宙不是绝对均匀的。

于是我们的问题又变成了宇宙为什么不是绝对均匀。我们设想，如果宇宙是无中生有于一个特别特别小的点，那单纯从对称性的角度，它的演化似乎应该是绝对均匀的才对 —— 毕竟没有哪个地方有理由跟别的地方不一样。那这个不均匀，又是从哪来的呢？

答案还是量子力学。因为量子力学有不确定性，早期宇宙中所有的量子场都会有一些小小的波动涨落，正是那些小涨落造成了宇宙的不均匀！

一直到今天我们都可以从微波背景辐射中看见早期宇宙涨落的信息。背景辐射中显示宇宙早期温度比较低的地方，对应的引力场比较强，更容易聚集到物质，并且在后来的演化中形成恒星、星系乃至于星系团；而温度比较高的地方，现在就更容易是空旷的区域。

微波背景辐射中的高温和低温相差多少呢？差不多是十万分之一。量子力学这个尺度拿捏得正好：涨落再大一点，也许宇宙就太不均匀了，很多物质会聚集在一起，搞不好宇宙演化都受影响；涨落再小一点，宇宙中就不会有日月星辰。

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量子力学既让宇宙起源于“无”，又让那个“无”能生“有”；让宇宙既能起源，又不会太容易起源；让宇宙既是非常均匀的，又不是完全均匀的。如果不是量子力学，我们真不知道还有什么机制能提供这么好的设定。

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｜划重点

注释

[1] 原话是 “To encounter the quantum is to feel like an explorer from a faraway land who has come for the first time upon an automobile. It is obviously meant for use, and important use, but what use?”

[2] M. Tegmark; N. Bostrom (2005). 'Is a doomsday catastrophe likely?' Nature. 438 (5875).

[3] 《给忙碌者的天体物理学》1：幸运是这个宇宙的通行证

[4] 参见《不特殊论者》。但是这个信念最近似乎受到了挑战：《一个常数的谜团》。