宇宙真的是從一片虛無中產(chǎn)生的嗎？

從宇宙微波背景到星系團、再到單個星系，這些觀測結(jié)果都需要由暗物質(zhì)來解釋。

新浪科技訊 北京時間3月15日消息，據(jù)國外媒體報道，我們對廣闊宇宙中的未知事物越是好奇，就會浮現(xiàn)出越多的未解之謎。對任何事物本質(zhì)的探索最終都將把我們引向同一類謎團：宇宙的終極本質(zhì)和起源、以及宇宙中的萬物。但無論我們往回追溯得多久，總是規(guī)避不掉同一個問題：一旦倒退回到某個時間點之前，我們的“起點”也許就不復(fù)存在了。

這也許是最最重要的問題之一，因為它想問的不僅是萬物來自何處，還問了萬物最初是如何出現(xiàn)的。到目前為止，科學(xué)都沒能為我們解答這個難題。

我們在觀察宇宙時，可觀察到的全部范圍、甚至將龐大的未知領(lǐng)域考慮在內(nèi)，都指向一個統(tǒng)一的場景。宇宙由物質(zhì)（而不是反物質(zhì)）構(gòu)成，無論何時、何處，都遵循同一套物理法則。就我們所知，宇宙開始于138億年前一次熾熱的大爆炸。宇宙由廣義相對論主宰，體積在不斷膨脹，溫度在持續(xù)下降。暗能量和暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙的大部分，其余則由普通物質(zhì)、中微子和輻射組成。

即使在空無一物的太空中，基本相互作用場自帶的量子波動也依然存在。在宇宙初期的暴脹過程中，這些波動會在宇宙中被大幅拉伸，形成如今仍能觀測到的溫度波動。

如今，宇宙中充滿了星系、恒星、行星和重元素，并且在至少一顆星球上存在擁有先進技術(shù)的智慧生命。但這些結(jié)構(gòu)并非亙古有之，而是在宇宙演化的過程中逐漸出現(xiàn)的。作為一項重大的科學(xué)飛躍，20世紀的科學(xué)家倒推出了宇宙的時間線，描述了宇宙是如何從缺少復(fù)雜結(jié)構(gòu)、除了氫氦之外別無一物的起初，逐漸發(fā)展到如今遍布大型天體結(jié)構(gòu)的模樣的。

如果讓我們從今日出發(fā)、讓時光倒流，追尋每一個結(jié)構(gòu)和每一個構(gòu)件的起源。每次得到一個答案，我們都可以進一步追問：“可這究竟是從哪來的呢？這又是如何出現(xiàn)的呢？”直到最終實在答無可答：“不知道，至少目前為止還沒有頭緒。”屆時我們就可以對手頭掌握的情況進行復(fù)盤，然后追問下去：“這究竟是如何出現(xiàn)的？難道是從一片虛無中浮現(xiàn)的嗎？”

那我們就開始吧。

圖為在宇宙膨脹過程中、宇宙結(jié)構(gòu)形成過程的模擬圖像，描繪了引力在富含暗物質(zhì)的宇宙中一連數(shù)十億年的增長過程。圖中的細絲和團簇主要在暗物質(zhì)作用下形成，普通物質(zhì)起到的作用很小。

如今的生命全都由復(fù)雜分子構(gòu)成，這些分子又由元素周期表中的原子構(gòu)成，與宇宙中所有普通物質(zhì)所用的是同一批“原材料”。但宇宙并非生來就有這么多原子，而是在經(jīng)歷了多輪恒星誕生和死亡、每一次核反應(yīng)的產(chǎn)物不斷循環(huán)利用后，才逐漸達到今天的局面。若沒有這一過程，就不可能出現(xiàn)行星和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

要想形成現(xiàn)代的恒星和星系，首先需要引力將較小的星系和恒星團拉攏到一起，形成更大的星系，激發(fā)新恒星的形成。這就需要該區(qū)域借引力之手收集一定的質(zhì)量；這就需要暗物質(zhì)提前圍攏、形成一個環(huán)，防止恒星形成過程中將這些物質(zhì)反彈出去；這就需要普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和輻射之間達到一定的平衡，形成宇宙微波背景，需要較輕元素在大爆炸中形成、并且已經(jīng)達到所需的豐度和分布規(guī)律；這就需要宇宙產(chǎn)生初始波動、或者說密度上的瑕疵；而這就需要找到這些瑕疵的形成方式、以及初始暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的形成方式。

這些都是宇宙大爆炸初期所需的“基本原料”。除此之外，我們還需要物理法則、時空、以及物質(zhì)和能量，這些原料都需要以某種方式實現(xiàn)從無到有才行。

所以簡而言之，要想回答宇宙能否從無到有的問題，首先要揭開以上這些未解之謎才行。

超新星爆發(fā)殘余（左圖）和行星狀星云（右圖）都可以將恒星中經(jīng)過“焚燒”的重元素回收到星際間介質(zhì)中、供下一代恒星和行星所用。重元素對生命的形成不可或缺，很難想象假如宇宙中缺少這些重元素、智慧生命要如何形成。

要想弄清宇宙中物質(zhì)的量為何多于反物質(zhì)，我們必須回溯到宇宙的最初階段，也是物理法則充滿不確定性的一個階段。就我們所知，物理法則在物質(zhì)和反物質(zhì)之間存在一定意義上的對稱關(guān)系：我們創(chuàng)造或觀察到的每個反應(yīng)，用等量的反物質(zhì)也可以實現(xiàn)。雖然在宇宙極其熾熱和致密的初始狀態(tài)下、物質(zhì)和反物質(zhì)的量可能同樣豐富，但宇宙后來一定通過某種方式、形成了如今物質(zhì)/反物質(zhì)不對稱的局面。

這一結(jié)果有多種解釋，不過我們并不確定早期宇宙真正經(jīng)歷的是哪一種。無論是何種情形，都離不開以下三個要素：

1、一系列失衡條件，這在不斷膨脹和冷卻的宇宙中會自然而然地發(fā)生；

2、與重子數(shù)量相違背的相互作用；

3、產(chǎn)生足夠的C與CP破壞（C指電荷共軛，P指宇稱）、以此形成足量的物質(zhì)/反物質(zhì)不對稱性。

標準模型雖具備上述全部要素，但還不夠。如果將剛開始具有物質(zhì)/反物質(zhì)對稱性的宇宙視為“空無一物”，那么宇宙一定是從無到有、憑空創(chuàng)造出了后來的各種事物，盡管我們并不明白這究竟是如何發(fā)生的。

如果具備合適的大統(tǒng)一理論特性，數(shù)量相等、完全對稱的物質(zhì)和反物質(zhì)玻色子也可以形成在現(xiàn)今宇宙中觀察到的物質(zhì)/反物質(zhì)不對稱局面。這種解釋算不上完美，但我們也不確定真相究竟如何。

產(chǎn)生暗物質(zhì)也有許多可行的方式。我們從大量測試和搜索工作中了解到，無論暗物質(zhì)究竟為何物，都不可能含有標準模型中的任何粒子。不管暗物質(zhì)的真正本質(zhì)是什么，都涉及到我們目前尚不了解的物理法則。但創(chuàng)造暗物質(zhì)的方法倒是有很多，比如在熾熱的早期宇宙中在熱作用下形成，但后來并未徹底湮滅，而是以穩(wěn)定狀態(tài)一直保留了下來；或者在宇宙膨脹和冷卻的過程中通過物相變化自發(fā)形成；或者以新型中微子的形式出現(xiàn)；又或者是一種單純的引力現(xiàn)象，這種方式可以形成超大質(zhì)量粒子（比如WIMPzilla，巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子）。

但如今的宇宙就算沒有暗物質(zhì)，似乎也過得挺好，那暗物質(zhì)存在的意義又是什么呢？在此前從未有過暗物質(zhì)的情況下，暗物質(zhì)的憑空誕生一定有其原因。無論暗物質(zhì)通過上述哪種途徑產(chǎn)生，都需要耗費能量。這些能量又從哪里來？根據(jù)宇宙暴脹理論（關(guān)于宇宙大爆炸起源的最流行理論），暗物質(zhì)也許還真是憑空產(chǎn)生的。關(guān)于這一點，我們還需要多解釋幾句。

說到宇宙大爆炸初期，你腦海中想到的一定是某種極為稠密、高能、并且極其均勻一致的狀態(tài)。如果有人問起：“這究竟是如何達成的？”我們一般有兩種對策。一種可以借用Lady Gaga的歌名來回答——《天生如此》：宇宙生來就具有這些特性，我們把它們稱作“初始條件”就好，不需要進一步解釋。但在理論物理學(xué)家看來，這種解釋無異于舉手投降。或者我們也可以采用理論物理學(xué)家最擅長的做法：嘗試建立一套能夠解釋這些初始條件的理論機制，梳理出異于標準的預(yù)測結(jié)果，再對關(guān)鍵參數(shù)進行度量。

早期宇宙中的過度致密區(qū)域會隨著時間的流逝不斷“生長”，但該過程一方面受自身初始大小限制、另一方面也受高能輻射限制（防止天體結(jié)構(gòu)生長過快）。第一批行星過了數(shù)千萬年、甚至數(shù)億年才出現(xiàn)，但早在此之前，宇宙中就已經(jīng)存在物質(zhì)團塊了。

宇宙暴脹理論就是采用第二種方法得到的結(jié)果，極大改變了我們對宇宙形成方式的認知。該理論并未將“熾熱致密”的前身推斷為一個無限熾熱、無限致密的奇點，而是指出：“也許在大爆炸發(fā)生前的一段時期內(nèi)，空間本身的能量密度極大，導(dǎo)致宇宙以極快的速度迅速暴脹。在暴脹結(jié)束后，這些能量轉(zhuǎn)化成了物質(zhì)、反物質(zhì)和輻射，我們所熟知的大爆炸就是這么產(chǎn)生的。”

在以這種方式形成的宇宙中，不僅溫度統(tǒng)一、空間均勻，還能預(yù)見到我們?nèi)缃裼^察到的密度波動。憑借這一自然過程，整個可觀測宇宙都從空無一物的空間中就此產(chǎn)生，并逐步演化出了我們?nèi)缃袼姷母鞣N天體結(jié)構(gòu)。

這應(yīng)當是“宇宙如何從無到有”這個問題最好的解釋了，但并非所有人都愿意接受這種說法。在許多人看來，宇宙中有時空、有物理法則、有基本常數(shù)、還有空間自帶的非零場能量，似乎與“空無一物”的概念相去甚遠。畢竟我們完全可以想象出一個在空間之外的地點、一個超越時間限制的時刻、一組不存在任何實際物理限制的條件。并且這些想象至少在哲學(xué)上是完全說得通的。

我們?nèi)缃裼^察到的宇宙始自一場大爆炸，即某種極其熾熱、致密、均勻、不斷膨脹的狀態(tài)，具有一系列特定的初始條件。但要想弄清大爆炸究竟如何產(chǎn)生，我們千萬不能假定大爆炸就是宇宙的絕對開端，也不能默認“我們無法預(yù)測的事情必定無法解釋”。

但哲學(xué)層面上的“虛無”和物理定義的“虛無”之間還存在區(qū)別。2018年的一篇論文指出，目前對于“虛無”已經(jīng)有了四種科學(xué)定義，并且在對應(yīng)的情境下，每種都很合理：1、一段不存在任何我們所理解的“物體”的時間；2、空無一物的物理空間；3、在能達到的最低能態(tài)上空無一物的時空；4、將整個宇宙和主宰宇宙的各種法則移除后剩下的一切。

如果我們使用前兩種定義，那么完全可以說“宇宙是憑空產(chǎn)生的”，用第三種就不行。對于第四種，我們掌握的信息還不夠多、無法做出判斷。除非我們能找到一套新的物理理論、能夠描述宇宙之外和目前物理法則范圍之外的事物，從物理上就無法定義什么叫真正的“虛無”。

量子尺度上的時空波動會在宇宙暴脹過程中被大幅拉伸、跨越整個宇宙，形成密度瑕疵和引力波。雖然暴脹過程中的太空從很多層面上都可以被視作“空無一物”，但并非人人都同意這種說法。

在物理學(xué)層面上，很難弄清什么叫絕對的虛無。到底什么叫“時間和空間之外”？時間和空間又怎樣才能以一種合理的、可預(yù)見的方式從無到有、憑空出現(xiàn)？如果沒有時空，就無法定義時間或地點，那么時空又怎樣才能在特定的時間或地點上出現(xiàn)？主宰量子的法則又要從哪里來呢？

如果我們接受了物理學(xué)上對“虛無”的定義，那么我們?nèi)缃袼倪@個宇宙在很大程度上的確可以說是憑空產(chǎn)生的。但如果將各種物理限制考慮在內(nèi)，這個最初的宇宙起源也就無從談起了。

然而，宇宙暴脹已經(jīng)抹去了可觀測宇宙出現(xiàn)前可能留下的全部證據(jù)。雖然想象是無限的，但我們只能在物理現(xiàn)實的基礎(chǔ)上、以及能開展測試的前提下得出結(jié)論。無論其它想法在邏輯上是多么可行，都只能停留在思維層面而已。（葉子）