量子力学19:宇宙如何无中生有？
“遇见量子就像远方的探险家第一次看到汽车。这东西当然有用，重要，但是有什么用呢？”
在这节课的开始，我们来谈谈量子力学的一些应用。先说最大的应用:宇宙。
我们的宇宙是这样的，大概是拜量子力学所赐。
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只要你喜欢推测，即使你没有任何现代的观察手段，只要仰望星空，你就能提出一些有趣的问题，甚至可能猜出答案。比如，所有古代哲学家可能都思考过这个问题:宇宙万物从何而来？古人给出了各种各样的答案，但我敢说最接近现代科学的答案是中国东汉末年的一位青年天才，曹操的女婿，何进之孙，著名玄学家言和。
言和的推理是这样的。万物皆有其形、色、声，但就概念分类而言，越高越普遍，越简单。级别越低，越具体，越多样。比如鸡鸭，你知道它长什么样；但如果说什么是“鸟”，形象就不具体了；再往高处走，什么是“生活”？你根本想不出一个形状那么，以此类推，万物的总起源一定是没有形状、颜色和声音的东西。
无论是这个最高级的本源，还是宇宙的法则，也就是“道”，必然是“无”。言和说:“有了东西，就可以‘无’而生；如果你做了一件事，你不能什么都不做就完成它。」
你觉得这比希腊神话“混沌孕育了大地女神盖亚”和希腊哲学家泰勒斯“水是万物之源”先进多了吗？如果一切都源于水，那么水是从哪里来的呢？事实上，现代科学认为宇宙包含了一切，宇宙也确实有大爆炸起源:既然大爆炸之前什么都没有，那么宇宙的起源就只能是“无”。
但你可以问另一个问题:“无”是怎么产生的？为什么不一直保持“无”呢？
古代哲学家是不可能理解的。这个要看量子力学。
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在所有理论中，量子力学是唯一一个允许事情无缘无故发生的理论。这个原子一直都很好。为什么会突然衰变？没有理由。无中生有是量子力学的日常行为。量子力学认为真空并不是真的空的，一对虚粒子会随时随地浮现并相互湮灭...似乎从无到有创造宇宙也不是不可能。
目前物理学家对宇宙如何起源还没有达成一致。理论模型很多，但证据不足。我们来挑两个最著名的说法，这两个说法都涉及量子力学。
一个是斯蒂芬·霍金的“无边界提议”。1983年，霍金和詹姆斯·哈特尔提出大爆炸不需要“奇点”，宇宙的起源就像下面那个毽子的形状——
关键是它有一个非常平稳的开始。霍金说，在宇宙开始之前，只有空间，没有时间——既然没有时间，也就没有“之前”，这才是真正的“无”。宇宙处于量子叠加态，可以有各种历史，可以用一个波函数来描述。然后突然之间，宇宙的波函数塌缩了，时间开始了。一开始是虚拟时间，后来变成了真实时间，然后暴涨，然后一切都进化了。
霍金说，我们所经历的只是宇宙众多可能历史中的一种，甚至不是最有可能的一种。还有很多其他的宇宙无缘无故地起源了，但是大部分都会因为“爆炸”得不够好而马上消失。宇宙继续像气泡一样产生和消失——我们的宇宙幸运地生存了下来。
这个理论的缺点是保留了太多可能的宇宙，让人觉得有点太贵了；好处是去掉了“宇宙之前”的问题，提供了一种无中生有的机制。这两个特征是量子力学给出的。
霍金的模式在科普中很受欢迎，因为霍金擅长写畅销书。事实上，在学术界，另一种模式可能更受欢迎。
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早在1981，“膨胀”理论的创始人阿兰·古斯就提出了无中生有的另一种可能。格斯的理论不需要考虑时间，只要给一个很小的真空区域，就可能爆发出一个新的宇宙。
量子力学认为真空不是绝对“空”的。测不准原理要求能量在任何地方都不能绝对为零——否则就是确定的。所以即使在真空中，也会有很小的能量波动，这种能量波动被称为真空的“零点能”。这个零点能量是空间中最低的能量。
格斯的提议是，由于某种量子力学效应，某个空间会非常偶然地得到一个略高于零点能量的能量，这个能量大约相当于，比如一个原子运动到第二能级的“激发态”。它是无害的，因为能量也很低，什么也不会发生，相当于一个“假真空”。
对于空间中的这个点，假真空的能量相当于所有可能性中的一个局部最低点，而真真空的能量是全局最低点。本来假真空就比较稳定，不会变成真真空。但是因为量子隧穿效应，在某个时刻，假真空衰变为真真空。于是，宇宙起源了。
空间中的这个点因为假真空衰变获得了一点额外的能量，提供了一个负压，而根据广义相对论，这个负压成为了向外生成的“反重力”，使得宇宙开始暴涨。暴涨是一个比“大爆炸”快得多的过程，相当于太空各个部分同时爆炸。空间打开，引力提供负势能，所以根据能量守恒，正能量会在空间各处衰减，这就是物质的起源。最早的物质主要是光子，然后是夸克、电子、质子和中子...一直到今天的宇宙。
这一切都源于量子隧道。根据格斯的说法，宇宙起源于真空中的一个气泡。那么你可能会说，我们今天宇宙的大部分空间也是接近真空的。如果再来一个这样的泡沫，再来一次暴涨，创造一个新的宇宙，毁灭我们现在的宇宙，怎么办？这个不用担心，真空衰变的概率极低，发生的平均间隔时间比我们宇宙的年龄长很多倍[2]。
所以格斯的理论说量子力学让宇宙起源，量子力学也让宇宙难以起源……而这两个特点你都应该心存感激。那么古斯是对的还是霍金是对的呢？现在没有足够的证据。无论宇宙如何起源，最初的激增都会留下痕迹。在未来，对这一痕迹的更精确的观察可能会导致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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微波背景辐射来自宇宙的原始光，它为今天宇宙的各个部分提供了2.7 K的保证温度，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趣的东西，最有趣的是，为什么宇宙会如此均匀？
事实上，你可以通过仰望星空来看到这一点。抬头看，各个方向的星星几乎一样多，而且不是所有的星星都集中在一个地方。这种现象是物理学家心中的一种信念，被称为“宇宙原理”:在大尺度上，宇宙是均匀的、各向同性的，没有什么是特殊的[4]。
其实从这个“不特殊”，即使没有其他证据，我们也已经可以猜测宇宙应该是有起源的。不然宇宙那么大，地方那么远。它们是如何相互沟通，相互协调，才能表现出这样的相似性？这就好比社会上的一群人，虽然分布在世界各地，但是他们的想法和做法却非常相似，所以你有理由怀疑他们是同一所大学毕业的。宇宙的均匀性表明宇宙中的物质曾经聚集在一起。
宇宙起源理论，尤其是暴涨理论，可以解释宇宙的均匀性。但另一方面，如果宇宙太均匀，就不行了。如果宇宙是绝对均匀的，那些基本粒子就会均匀分布在整个空间，对吗？但是这么多的恒星是怎么形成的呢？恒星是物质积累的产物，根据恒星的寿命来看，它们一定很早就积累了这么多物质。之所以这里有物质，那里没有，恰恰说明宇宙不是绝对均匀的。
所以我们的问题变成了为什么宇宙不是绝对一致的。我们设想，如果宇宙在一个非常非常小的点上从无到有地诞生，那么从对称性的角度来看，它的演化似乎是绝对一致的——毕竟，它没有理由与其他地方不同。那么这个不平，又是从哪里来的呢？
答案是量子力学。因为量子力学的不确定性，早期宇宙的所有量子场都会有一些小的波动，而正是那些小的波动造成了宇宙的不均匀性！
直到今天，我们还能从微波背景辐射中看到早期宇宙波动的信息。背景辐射说明宇宙早期温度相对较低，对应的引力场相对较强，更容易聚集成物质，在后期演化中形成恒星、星系甚至星系团；温度较高的地方，现在更容易成为空旷地带。
微波背景辐射中高温和低温有什么区别？几乎十万分之一。量子力学的尺度恰到好处:如果涨落大一点，也许宇宙会太不均匀，很多物质会聚集在一起，可能会影响宇宙的演化；如果涨落再小一点，宇宙中就没有太阳、月亮和星星了。
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量子力学不仅使宇宙起源于“无”，而且使那个“无”产生“存在”；让宇宙起源，但不要太容易；让宇宙既非常均匀又不完全均匀。如果不是量子力学，我们真的不知道还有什么机制可以提供这么好的设定。
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焦点
给…作注解
[1]原话是“遇见量子就像一个来自遥远国度的探险家第一次乘坐汽车来到这里。明明是贱为用，重要为用，但是用什么呢？”
[2]泰格马克；博斯特罗姆(2005年)。"世界末日的灾难有可能发生吗？"大自然。438 (5875).
【3】忙碌者的天体物理学1:运气是这个宇宙的通行证。
[4]见“不专”。但这种信念最近似乎受到了挑战:一个常数的奥秘。