在的开始,我们提出了一个问题“万物从何而来?”经过两千多年的争论不休,现在的答案是:“万物皆来源于无。”现代物理学认为,宇宙可以从真空中出现。“没有什么比‘无’和‘有’之间的联系纠葛更加重要和显著了”(1) ,或者通俗一点讲,“宇宙也许是最后的免费午餐”(2) 。这些观点认为,我们的宇宙可能是一个巨大的量子涨落,其总“虚拟”能量非常接近零以至于其寿命变得极长。这种现象之所以发生,源于无处不在的万有引力提供了宇宙的正能量和负能量。要说明这点,最简单的方法也许要追溯到第2章中论及的原子中的电力如何排斥外来物质。
原子核带正电,周围布满电场以抵御其他的正电粒子——比如阿尔法粒子。想象有这样一个阿尔法粒子,从遥远的地方向原子核高速逼近。此时的总能量就是阿尔法粒子的动能。(3) α 粒子与原子核靠得越近,它感受到的排斥力就越大,速度也会变得越慢。如果它正面撞上原子核,会最终导致一瞬间的静止,然后会按原路返回。在它静止的那一瞬间,其动能是零。根据能量守恒,我们说它的动能转换成了势能。
力的大小会随着距离的平方呈反比变化,而这里势能值和距离成反比。所以当距离很大时,比如在α粒子入射的起点,势能接近于零。当α粒子越靠近原子核,它的势能就越大。势能增大的同时动能在减小,直到α粒子到达最靠近原子核的位置,这个瞬间α粒子静止,势能达到最大值—等于出发时所带的动能。
在这个例子中,所有的能量都是正的;起点的正动能转化成了终点的正势能。现在假设用负电粒子代替正电粒子,比如远处的电子靠近带正电的原子核。如果最初电子是静止的,那么其动能为零,又因为其远离原子核,所以势能也为零。此时动能和势能的总和实际上是零。但是由于存在一个吸引力,电子会被吸向原子核,速度慢慢增大从而拥有动能。因为总能量必须保持为零,所以正向动能的增加意味着势能会为负,而且负值会随着靠近原子核而越来越大。所以对于吸引力而言,势能可以为负。
对万有引力来说也是一样,物质互相吸引,拥有负势能。太阳引力场中的地球以及其他行星全部都具有负势能。实际上它们的势能和动能之和小于0,所以它们被限制在了太阳系中,受太阳引力的禁锢。与此类似,你我也被地球的引力所禁锢。我们用力向上扔一个东西,虽然最初给了它动能,但是它还是会在到达一个最高点后落回地面,除非给它的初始速度大于12千米每秒——这被称为“逃脱速度”。只有大于这个速度,物质的动能和势能之和才为正,然后才能摆脱地球的引力;但是对于太阳系而言,它的总能量还是为负,所以其在摆脱地球引力之后还是会留在太阳系中。
万有引力弥漫在整个宇宙中,导致宇宙中禁锢的所有物质都具有负势能。甚至将物质的mc 2 能量都算上,宇宙的总能量也可能只是零。因此,根据量子理论,宇宙是一个巨大的真空紊动,其总能量非常接近于零,所以可以存在很长一段时间直到真空最终稳定。如果总能量为零,那么宇宙就可以永远存在。
如果事情当真如此,那么谁能说我们就是唯一的宇宙呢?为什么没有其他的多元宇宙呢?很多理论学家都在严肃地思考这些可能,同时很多科学家也在考虑这些观点在实验上是不是可以验证。
随着宇宙膨胀,空间会扩展,但是电磁力会使物质保持聚集而不改变大小,比如行星和恒星;而物质之间的空间会增大。而由于电磁辐射不受约束,所以它的波长随着宇宙膨胀而增大。从量子理论中我们知道,波长与能量成反比,那么过去的宇宙背景辐射应该更热——现在它仅仅比绝对零度高3℃。对于物质也有相似的结论。随着宇宙膨胀,引力场中禁锢的物质势能会增大,对应的动能就会减小。这种宇宙整体的变慢,表现出来就是温度的降低。根据对宇宙膨胀率的观测以及现有的背景温度知识,我们可以反推并估计出亿万年前的宇宙温度。当我们越靠近宇宙大爆炸,宇宙温度就越高。
当时的粒子间相互碰撞比现在剧烈得多,温度甚至超过4000℃。在如此高温下,原子无法存在,它们会被电离,就像现在太阳内部发生的一样。进一步来说,当温度超过109 ℃时,原子核也会分解;在这种情况下,只有粒子和射线混成的等离子体存在其间。在未达到这个能量之前,就已经足够出现物质和反物质中的粒子了。所有这些证据都指向一个结果:我们所在的宇宙来自一个高温射线构成的真空。
科学家们在CERN的粒子加速器上进行了实验,给出了高能和对应超高温下物质粒子和力的状态。这些结果使我们能够计算出宇宙在1027 ℃时的状态,这个温度对应的时间点距宇宙大爆炸约10-33 秒。就像我们之前看到的,在不同的温度下真空会发生相变,其中的一些相变已经被证实,而其他的还在推算中。经过10-10 秒后,温度降低到1015 ℃以下,此时电磁力和弱力开始出现;通过重建这种温度,实验已经证实了这个理论。理论证实,在略高一点的能量下,对应时间约10-12 秒时,冷却中的真空发生了相变从而导致希格斯场被禁锢而赋予粒子以质量。
至此,我们可以得到一幅画面:随着真空中的量子紊动,宇宙怦然而出,带着极高的温度和极快的膨胀速度。这导致大量的物质和反物质对称出现——虽然至今仍未有证据证明反物质仍然存在。现在的科学相信,在质子和反质子之间一定存在某种不对称。虽然它的起源仍是个谜,但是它可能是另一个例子,用来说明随着宇宙经历相变而产生的自发对称崩溃。