我們的宇宙到底是怎么來(lái)的？

這是一個(gè)貫穿人類(lèi)文明始終的宇宙終極奧秘，從遠(yuǎn)古人類(lèi)對(duì)星空的仰望與遐想，到現(xiàn)代科學(xué)家用精密儀器探測(cè)宇宙的邊緣，人類(lèi)從未停止過(guò)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的追問(wèn)。

或許我們永遠(yuǎn)也找不到那個(gè)絕對(duì)終極的答案，但每一次探索、每一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，都在讓我們盡可能地接近真相，揭開(kāi)宇宙神秘面紗的一角。

目前，主流科學(xué)界普遍認(rèn)可的宇宙起源理論，是宇宙大爆炸理論，該理論認(rèn)為，我們的宇宙誕生于138億年前的一場(chǎng)前所未有的劇烈爆炸。

更準(zhǔn)確地說(shuō)，這場(chǎng)“爆炸”并非我們?nèi)粘ＵJ(rèn)知中像炸彈那樣的爆炸——沒(méi)有固定的中心點(diǎn)，也不是物質(zhì)向空曠的空間擴(kuò)散，而是空間本身在急劇膨脹，所有的物質(zhì)和能量都隨著空間的膨脹而被“拉伸”，最終演化成了我們?nèi)缃窨吹降挠钪妗?/p>

具體來(lái)說(shuō)，在138億年前，宇宙所有的物質(zhì)、能量、時(shí)間和空間，都集中在一個(gè)體積無(wú)限小、密度無(wú)限高、溫度無(wú)限高的奇點(diǎn)之中，這個(gè)奇點(diǎn)在某個(gè)瞬間突然發(fā)生急劇的膨脹，時(shí)間和空間隨之誕生，物質(zhì)和能量開(kāi)始逐步演化，宇宙就此拉開(kāi)了序幕。

很多人可能不知道，宇宙大爆炸理論最初其實(shí)只是一個(gè)大膽的假說(shuō)，而且在提出之初，甚至帶有一定的諷刺和開(kāi)玩笑的意味。

20世紀(jì)20年代，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特首次提出了“原始原子”假說(shuō)，他認(rèn)為宇宙最初是一個(gè)密度極大、溫度極高的“原始原子”，后來(lái)發(fā)生分裂和膨脹，逐漸形成了我們現(xiàn)在的宇宙。

這一假說(shuō)在當(dāng)時(shí)遭到了很多科學(xué)家的質(zhì)疑和嘲笑，就連著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦，最初也不認(rèn)同這個(gè)觀點(diǎn)，他甚至在給勒梅特的信中寫(xiě)道：“你的想法很有趣，但不符合物理規(guī)律。”

誰(shuí)也想不到，這個(gè)看似“荒誕”的假說(shuō)，后來(lái)會(huì)隨著越來(lái)越多的科學(xué)證據(jù)被發(fā)現(xiàn)，逐漸成為詮釋宇宙起源的主流理論，被全世界的科學(xué)家廣泛接受。

但不得不說(shuō)，宇宙大爆炸理論這個(gè)假說(shuō)雖然得到了主流科學(xué)界的認(rèn)可，卻并非完美無(wú)缺，它依然存在一些無(wú)法解釋的問(wèn)題。

即便如此，它依然是目前最能解釋宇宙諸多自然現(xiàn)象的理論，更重要的是，有大量有力的科學(xué)證據(jù)，都在不斷支撐著宇宙大爆炸理論的合理性。

其中，最具里程碑意義的證據(jù)，就是上世紀(jì)20年代美國(guó)天文學(xué)家哈勃的重大發(fā)現(xiàn)——遙遠(yuǎn)星系的紅移現(xiàn)象。哈勃通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有遙遠(yuǎn)的星系，都在以一定的速度遠(yuǎn)離我們，而且距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度就越快。

這一現(xiàn)象背后的邏輯很簡(jiǎn)單：如果所有星系都在相互遠(yuǎn)離，那么回溯到過(guò)去，它們必然是聚集在一起的，這就為宇宙膨脹提供了最直接的觀測(cè)證據(jù)，也間接證明了宇宙大爆炸理論的合理性。

除了哈勃紅移，后來(lái)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的宇宙元素豐度和宇宙微波背景輻射，更是為宇宙大爆炸理論提供了決定性的支撐。

所謂宇宙元素豐度，就是宇宙中各種元素的相對(duì)含量。

根據(jù)宇宙大爆炸理論的預(yù)測(cè)，宇宙大爆炸初期，溫度極高，只能形成氫、氦等最輕的元素，其中氫元素的豐度約為75%，氦元素的豐度約為25%，其他更重的元素（如碳、氧、鐵等），則是在后來(lái)恒星內(nèi)部的核聚變反應(yīng)中逐漸形成的。而科學(xué)家們通過(guò)對(duì)宇宙中不同天體的觀測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)宇宙中元素的實(shí)際豐度，與宇宙大爆炸理論的預(yù)測(cè)高度吻合，這就進(jìn)一步驗(yàn)證了該理論的正確性。

而宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，更是被稱(chēng)為“宇宙大爆炸的余溫”，是宇宙大爆炸理論最有力的證據(jù)之一。

上世紀(jì)60年代，美國(guó)科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜在調(diào)試一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了一種來(lái)自宇宙各個(gè)方向的、均勻的、微弱的電磁輻射，這種輻射的溫度約為3K（即零下270攝氏度左右），而且無(wú)論他們將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)哪個(gè)方向，這種輻射都存在，不存在明顯的差異。

后來(lái)，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，這種輻射正是宇宙大爆炸之后，殘留下來(lái)的熱輻射——在宇宙大爆炸初期，宇宙溫度極高，充滿(mǎn)了強(qiáng)烈的熱輻射，隨著宇宙的不斷膨脹，這些輻射逐漸冷卻，最終形成了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射。

這一發(fā)現(xiàn)，直接為宇宙大爆炸理論提供了無(wú)可辯駁的證據(jù)，彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盡管有如此多的證據(jù)支撐，但宇宙大爆炸理論依然存在一個(gè)致命的瑕疵，這個(gè)瑕疵幾乎讓所有科學(xué)家都感到頭疼：那個(gè)作為宇宙起源的奇點(diǎn)，到底是一種什么樣的存在方式？它到底是怎么來(lái)的？

這個(gè)問(wèn)題，就像一個(gè)無(wú)法解開(kāi)的謎團(tuán)，困擾著一代又一代的物理學(xué)家。

我們都知道，相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)大廈的兩大基石，它們分別統(tǒng)治著不同的領(lǐng)域：廣義相對(duì)論主要描述宏觀世界的規(guī)律，比如天體的運(yùn)行、引力的作用、宇宙的膨脹等，它能精準(zhǔn)地解釋黑洞、星系演化等宏觀現(xiàn)象；而量子力學(xué)則主要描述微觀世界的規(guī)律，比如基本粒子的運(yùn)動(dòng)、相互作用等，它能解釋原子、電子、夸克等微觀粒子的行為。

這兩大理論在各自的領(lǐng)域都取得了巨大的成功，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)矛盾，但一旦遇到了奇點(diǎn)，這兩大理論就都無(wú)能為力了，它們之間的矛盾會(huì)被無(wú)限放大，無(wú)法統(tǒng)一起來(lái)。

奇點(diǎn)，被科學(xué)家們定義為一個(gè)體積無(wú)限小、密度無(wú)限高、溫度無(wú)限高的點(diǎn)，從理論上來(lái)說(shuō)，它的體積為零，沒(méi)有空間維度，也沒(méi)有時(shí)間概念。

從尺寸上來(lái)看，這么小的一個(gè)“東西”，按道理講應(yīng)該屬于量子力學(xué)的范疇，因?yàn)榱孔恿W(xué)研究的就是微觀世界的粒子行為。但是，在量子力學(xué)中，存在著兩個(gè)最基本的物理單位——普朗克長(zhǎng)度和普朗克時(shí)間，這兩個(gè)單位被認(rèn)為是有意義的最小長(zhǎng)度單位和最小時(shí)間單位，是量子世界的“基本尺度”。

普朗克長(zhǎng)度非常非常短，大約只有10的負(fù)35次方米，這個(gè)長(zhǎng)度有多小呢？

我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)比：如果把一個(gè)原子的直徑比作整個(gè)太陽(yáng)系的直徑，那么普朗克長(zhǎng)度就相當(dāng)于太陽(yáng)系中一顆塵埃的直徑。即便如此，普朗克長(zhǎng)度再短，也肯定比零要大，它不是無(wú)限小。

按照量子力學(xué)的詮釋?zhuān)魏涡∮谄绽士碎L(zhǎng)度的空間單位都是沒(méi)有物理意義的，也就是說(shuō)，在量子世界里，不存在比普朗克長(zhǎng)度更小的東西。而奇點(diǎn)的體積為零，意味著它的長(zhǎng)度小于任何數(shù)值，當(dāng)然也小于普朗克長(zhǎng)度，這就導(dǎo)致奇點(diǎn)在量子力學(xué)面前失去了意義，量子力學(xué)無(wú)法解釋它的存在。

與此同時(shí)，奇點(diǎn)本身并不存在時(shí)間和空間的概念，這也是我們難以理解它的重要原因。

在我們生活的世界里，無(wú)論是宏觀的天體、山脈、河流，還是微觀的原子、電子，都存在于時(shí)間和空間之中，時(shí)間在不斷流逝，空間也有著明確的維度。我們無(wú)法想象一個(gè)沒(méi)有時(shí)間、沒(méi)有空間的存在——沒(méi)有過(guò)去，沒(méi)有未來(lái)，沒(méi)有上下左右，沒(méi)有前后遠(yuǎn)近，這樣的奇點(diǎn)，超出了人類(lèi)的認(rèn)知范圍，也超出了現(xiàn)有物理學(xué)的解釋能力。

更讓人困惑的是，奇點(diǎn)的體積無(wú)限小、溫度和密度無(wú)限高。

“無(wú)限”這個(gè)詞，本身就是一個(gè)非常抽象、難以直觀描述的概念，它只存在于數(shù)學(xué)范疇之中，而科學(xué)研究的對(duì)象，往往都是具體的、可觀測(cè)、可描述、可量化的事物。

比如，我們說(shuō)地球的質(zhì)量是5.97×10的24次方千克，光速是3×10的8次方米每秒，這些都是具體的、可量化的數(shù)值，能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證。

但“無(wú)限小”“無(wú)限高”這樣的概念，無(wú)法被量化，也無(wú)法被觀測(cè)，因?yàn)槲覀冇肋h(yuǎn)無(wú)法找到一個(gè)“無(wú)限”的東西來(lái)進(jìn)行研究。所以，物理學(xué)一旦遇到“無(wú)限”的概念，往往都會(huì)陷入困境，因?yàn)闊o(wú)限只屬于數(shù)學(xué)，嚴(yán)格來(lái)講，數(shù)學(xué)并不屬于科學(xué)——科學(xué)需要可證偽、可觀測(cè)，而數(shù)學(xué)更多的是一種邏輯工具。

從我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，我們感知到的任何事物都是有限的：我們看到的物體，無(wú)論多小，都有具體的尺寸；我們感受到的溫度，無(wú)論多高，都有具體的數(shù)值；我們接觸到的物質(zhì)，無(wú)論多輕，都有具體的質(zhì)量。我們很難想象出一個(gè)無(wú)限的東西，不管是無(wú)限小還是無(wú)限大。

在人類(lèi)的認(rèn)知里，無(wú)限小就等同于不存在——一個(gè)體積為零、沒(méi)有空間、沒(méi)有時(shí)間的“東西”，怎么能被稱(chēng)為“存在”呢？而一個(gè)“不存在”的奇點(diǎn)，又怎么能突然發(fā)生膨脹，進(jìn)而演化出如今我們看到的、如此浩瀚無(wú)垠的宇宙呢？這簡(jiǎn)直超出了我們的常識(shí)認(rèn)知，讓人難以接受。

退一萬(wàn)步講，就算我們暫且放下對(duì)奇點(diǎn)存在方式的困惑，不去糾結(jié)它到底是如何存在的，還有一個(gè)更大的問(wèn)題擺在我們面前：這個(gè)奇點(diǎn)到底是怎么來(lái)的？它不可能憑空出現(xiàn)吧？

畢竟，在我們的常識(shí)里，“無(wú)中生有”是不可能發(fā)生的，任何事物的產(chǎn)生都有其原因，都需要一定的條件，就像一顆種子，需要土壤、水分、陽(yáng)光才能生根發(fā)芽，一個(gè)生命，需要父母的孕育才能誕生。但你還別說(shuō)，宇宙大爆炸理論還真的認(rèn)為，奇點(diǎn)是“憑空出現(xiàn)的”，這也是很多人難以接受該理論的重要原因之一。

看到這里，你可能會(huì)覺(jué)得不可思議，甚至?xí)滩蛔⊥虏郏菏裁?？一個(gè)東西竟然能憑空出現(xiàn)？這簡(jiǎn)直是天方夜譚，是見(jiàn)鬼了吧！即便退一步，假設(shè)奇點(diǎn)真的是憑空出現(xiàn)的，那還有一個(gè)問(wèn)題無(wú)法解釋?zhuān)簽槭裁此鼤?huì)憑空出現(xiàn)？是什么力量促使它出現(xiàn)的？為什么不是在100億年前出現(xiàn)，也不是在200億年前出現(xiàn)，偏偏在138億年前的那個(gè)瞬間出現(xiàn)？

這些問(wèn)題，宇宙大爆炸理論都無(wú)法給出合理的解釋。

其實(shí)，“宇宙大爆炸是憑空產(chǎn)生的”這種“無(wú)中生有”的觀點(diǎn)，并不嚴(yán)謹(jǐn)，只是一種通俗的說(shuō)法，容易讓人產(chǎn)生誤解。

更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貋?lái)講，大爆炸之前的宇宙，并不是“什么都沒(méi)有”，而是一種特殊的“混沌狀態(tài)”，科學(xué)家們稱(chēng)之為“量子混沌狀態(tài)”。

也就是說(shuō)，在宇宙大爆炸發(fā)生之前，就已經(jīng)有某種狀態(tài)存在了，這意味著，有某種“東西”存在于大爆炸之前，只是這種“東西”和我們現(xiàn)在認(rèn)知的物質(zhì)、能量都不一樣，它既沒(méi)有具體的形態(tài)，也沒(méi)有明確的空間和時(shí)間概念，處于一種混沌、無(wú)序的狀態(tài)。

正應(yīng)了那句話“科學(xué)是沒(méi)有盡頭的”，當(dāng)我們提出“大爆炸之前是量子混沌狀態(tài)”這個(gè)觀點(diǎn)時(shí)，新的問(wèn)題又隨之而來(lái)：那種量子混沌狀態(tài)到底是什么？它具體的存在形式是怎樣的？其中的“某種東西”又是什么？這種混沌狀態(tài)和“某種東西”，到底是如何產(chǎn)生的？

如果我們一直這樣追問(wèn)下去，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們永遠(yuǎn)也找不到最終的答案，好像在不知不覺(jué)中，就走進(jìn)了自己設(shè)定的“認(rèn)知陷阱”里，無(wú)論怎么努力，都無(wú)法走出來(lái)。

其實(shí)，當(dāng)我們追問(wèn)到這個(gè)層面時(shí)，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)不僅僅屬于科學(xué)范疇了，它還涉及到了哲學(xué)范疇。

簡(jiǎn)單來(lái)講，任何問(wèn)題，只要我們一直窮追不舍地追問(wèn)下去，最終一定不會(huì)有答案，甚至?xí)霈F(xiàn)自相矛盾的結(jié)果。

比如，我們問(wèn)“宇宙是怎么來(lái)的”，答案是“宇宙誕生于大爆炸”；我們?cè)賳?wèn)“大爆炸的奇點(diǎn)是怎么來(lái)的”，答案是“奇點(diǎn)來(lái)自于量子混沌狀態(tài)”；我們?cè)賳?wèn)“量子混沌狀態(tài)是怎么來(lái)的”，就沒(méi)有明確的答案了。

如果我們強(qiáng)行繼續(xù)追問(wèn)，就會(huì)陷入“無(wú)限循環(huán)”的困境——比如，假設(shè)量子混沌狀態(tài)是由另一種狀態(tài)產(chǎn)生的，那我們又會(huì)問(wèn)，那種狀態(tài)又是怎么來(lái)的？這樣一直追問(wèn)下去，永遠(yuǎn)沒(méi)有盡頭，甚至?xí)霈F(xiàn)自相矛盾的結(jié)論。

其實(shí)，用著名的“哥德?tīng)柌煌耆远ɡ怼?，我們就能很好地理解這種困境。

哥德?tīng)柌煌耆远ɡ硎怯蓨W地利數(shù)學(xué)家哥德?tīng)栐?0世紀(jì)30年代提出的，該定理簡(jiǎn)單理解就是：任何一個(gè)自洽的、包含算術(shù)公理的形式系統(tǒng)，都存在一些無(wú)法在該系統(tǒng)內(nèi)被證明或證偽的命題。換句話說(shuō)，任何理論其實(shí)都是不完備的，也無(wú)法做到完全自洽，不管我們建立多么完善的理論體系，最終都會(huì)出現(xiàn)一些無(wú)法解釋的問(wèn)題，都會(huì)出現(xiàn)矛盾的結(jié)果。

說(shuō)白了，任何理論都有其局限性，都無(wú)法涵蓋所有的問(wèn)題，宇宙起源的問(wèn)題，或許就是現(xiàn)有理論體系無(wú)法完全解釋的命題之一。

好像有點(diǎn)跑題了，我們回到正題：宇宙大爆炸之前的“量子混沌狀態(tài)”，到底是一個(gè)什么樣的存在方式呢？

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要借助量子力學(xué)的一個(gè)重要分支——“量子場(chǎng)論”。

量子場(chǎng)論是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種物理學(xué)理論，它將量子力學(xué)和狹義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)，成功地描述了基本粒子的相互作用，也為我們解釋宇宙起源的“量子混沌狀態(tài)”提供了重要的思路。

上學(xué)時(shí)，我們?cè)谖锢碚n上都學(xué)過(guò)，萬(wàn)物都是由最基本的粒子組成的，比如說(shuō)電子、光子、夸克、中微子等，這些基本粒子是構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的“基石”。

但是，按照量子場(chǎng)論的詮釋?zhuān)@些基本粒子并非世界的基本形態(tài)，宇宙萬(wàn)物的基本形態(tài)其實(shí)是“量子場(chǎng)”，而所有的基本粒子，都可以看做是不同的量子場(chǎng)“量子化”后的產(chǎn)物。也就是說(shuō)，量子場(chǎng)是比基本粒子更基本的存在，基本粒子只是量子場(chǎng)的一種表現(xiàn)形式，就像海浪是海水的一種表現(xiàn)形式一樣——海水是本質(zhì)，海浪是現(xiàn)象。

為了讓大家更好地理解，我們可以做一個(gè)通俗的類(lèi)比：假設(shè)宇宙就像一個(gè)巨大的“海洋”，這個(gè)海洋里充滿(mǎn)了各種不同的“海水”，每一種“海水”就對(duì)應(yīng)一種量子場(chǎng)。

這些“海水”（量子場(chǎng)）彼此交織在一起，充滿(mǎn)了整個(gè)宇宙（包括大爆炸之前的混沌狀態(tài)），而每一種“海水”（量子場(chǎng)），在受到某種“擾動(dòng)”時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的“浪花”，這些“浪花”，就是我們所說(shuō)的基本粒子。也就是說(shuō)，基本粒子并不是獨(dú)立存在的，它們只是量子場(chǎng)的一種“激發(fā)態(tài)”，當(dāng)量子場(chǎng)處于不同的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不同的基本粒子。

具體來(lái)說(shuō)，不同的量子場(chǎng)對(duì)應(yīng)不同的基本粒子：光子對(duì)應(yīng)的是電磁場(chǎng)，中微子對(duì)應(yīng)的是中微子場(chǎng)，電子對(duì)應(yīng)的是電子場(chǎng)，夸克對(duì)應(yīng)的是夸克場(chǎng)，等等。

按照目前的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了62種基本粒子，與之相對(duì)應(yīng)，就有62種不同的量子場(chǎng)。這些量子場(chǎng)并不是雜亂無(wú)章的，它們可以分為三大類(lèi)，分別是：費(fèi)米子場(chǎng)、媒介子場(chǎng)和希格斯場(chǎng)，這三類(lèi)量子場(chǎng)各司其職，共同構(gòu)成了宇宙的基本結(jié)構(gòu)。

費(fèi)米子場(chǎng)是產(chǎn)生“物質(zhì)粒子”的場(chǎng)，我們平時(shí)接觸到的絕大多數(shù)物質(zhì)，都是由費(fèi)米子場(chǎng)產(chǎn)生的基本粒子構(gòu)成的。

比如，電子場(chǎng)產(chǎn)生電子，夸克場(chǎng)產(chǎn)生夸克，而質(zhì)子和中子，就是由不同的夸克組成的——質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成。

費(fèi)米子場(chǎng)產(chǎn)生的基本粒子，具有半整數(shù)自旋，它們遵循泡利不相容原理，也就是說(shuō)，兩個(gè)相同的費(fèi)米子不能處于同一個(gè)量子態(tài)，這也是為什么物質(zhì)會(huì)有“體積”，不會(huì)相互穿透的原因。

媒介子場(chǎng)則是產(chǎn)生“相互作用力媒介”的場(chǎng)，宇宙中存在四種基本相互作用力——引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力，而媒介子場(chǎng)產(chǎn)生的基本粒子，就是傳遞這些相互作用力的“載體”。

比如，電磁場(chǎng)產(chǎn)生的光子，是傳遞電磁力的載體，我們平時(shí)感受到的光、電、磁現(xiàn)象，都是光子在傳遞電磁力的過(guò)程中產(chǎn)生的；膠子場(chǎng)產(chǎn)生的膠子，是傳遞強(qiáng)相互作用力的載體，強(qiáng)相互作用力能夠?qū)⒖淇死谝黄穑纬少|(zhì)子和中子，進(jìn)而構(gòu)成原子核；W玻色子和Z玻色子場(chǎng)產(chǎn)生的W玻色子和Z玻色子，是傳遞弱相互作用力的載體，弱相互作用力主要參與原子核的衰變過(guò)程，比如中子的β衰變；而傳遞引力的載體，目前還沒(méi)有被科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們推測(cè)，可能存在一種叫做“引力子”的基本粒子，由引力場(chǎng)產(chǎn)生，但截至目前，還沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)能夠證明引力子的存在。

而希格斯場(chǎng)，是一種非常特殊的量子場(chǎng)，它產(chǎn)生的希格斯粒子，也被科學(xué)家們稱(chēng)為“上帝粒子”，因?yàn)樗撬谢玖Ｗ淤|(zhì)量的源泉。

在量子場(chǎng)論中，絕大多數(shù)基本粒子本身是沒(méi)有質(zhì)量的，它們之所以會(huì)具有質(zhì)量，是因?yàn)樗鼈儠?huì)與希格斯場(chǎng)發(fā)生相互作用——就像一個(gè)人在黏稠的泥漿中行走，會(huì)受到泥漿的阻力，從而減緩速度，這種“阻力”，就相當(dāng)于粒子的“質(zhì)量”。

希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，是物理學(xué)史上的一個(gè)重大里程碑，2012年，歐洲核子研究中心（CERN）通過(guò)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，成功探測(cè)到了希格斯粒子的存在，這一發(fā)現(xiàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了量子場(chǎng)論的正確性，相關(guān)的科學(xué)家也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

既然量子場(chǎng)是比基本粒子更基本的存在，那么量子場(chǎng)到底是如何產(chǎn)生基本粒子的呢？按照量子場(chǎng)論的解釋?zhuān)婚_(kāi)始，所有的量子場(chǎng)都處于一種“基態(tài)”，這也是量子場(chǎng)最穩(wěn)定的狀態(tài)，其實(shí)就是我們平時(shí)所說(shuō)的“真空狀態(tài)”。

很多人可能會(huì)認(rèn)為，真空就是“什么都沒(méi)有”，但實(shí)際上，量子場(chǎng)的基態(tài)并不是“空無(wú)一物”，它依然擁有能量，只是這種能量是量子場(chǎng)的最低能量，也被稱(chēng)為“零點(diǎn)能”，它不是沒(méi)有能量，而是無(wú)法再降低的最低能量狀態(tài)。

我們的宇宙，從來(lái)都不是絕對(duì)“平靜”的，不確定性原理告訴我們，宇宙中總是會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)能量波動(dòng)，這種波動(dòng)是不可預(yù)測(cè)、隨機(jī)發(fā)生的。

當(dāng)處于基態(tài)的量子場(chǎng)受到這種隨機(jī)的能量波動(dòng)影響時(shí)，就會(huì)從穩(wěn)定的基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的“激發(fā)態(tài)”，而量子場(chǎng)在激發(fā)態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的基本粒子。不同的量子場(chǎng)，受到能量波動(dòng)后，會(huì)產(chǎn)生不同的基本粒子——電子場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生電子，電磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生光子，夸克場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生夸克，以此類(lèi)推。

也就是說(shuō)，量子場(chǎng)的“激發(fā)”和“退激”，對(duì)應(yīng)的就是基本粒子的“產(chǎn)生”和“湮滅”。當(dāng)量子場(chǎng)從基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)時(shí)，基本粒子就產(chǎn)生了；當(dāng)量子場(chǎng)從激發(fā)態(tài)退回到基態(tài)時(shí)，基本粒子就會(huì)湮滅，其能量會(huì)重新歸還給量子場(chǎng)，回到零點(diǎn)能狀態(tài)。同時(shí)，不同的量子場(chǎng)之間，還可以進(jìn)行能量交換，這種能量交換的過(guò)程，就會(huì)表現(xiàn)出各種不同的物理現(xiàn)象，比如粒子的碰撞、衰變、相互作用等。

我們可以用一個(gè)具體的例子來(lái)理解這個(gè)過(guò)程——中子的衰變。

中子是由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成的，它本身并不穩(wěn)定，在自然狀態(tài)下，一個(gè)自由的中子大約會(huì)在15分鐘左右發(fā)生β衰變，變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)反中微子。用量子場(chǎng)論來(lái)解釋這個(gè)過(guò)程，就是：中子場(chǎng)原本處于激發(fā)態(tài)，當(dāng)它受到能量波動(dòng)的影響，從激發(fā)態(tài)退激到基態(tài)時(shí)，會(huì)釋放出一定的能量，這些釋放出來(lái)的能量，會(huì)引起電子場(chǎng)、質(zhì)子場(chǎng)和中微子場(chǎng)的激發(fā)，最終導(dǎo)致電子、質(zhì)子和反中微子的產(chǎn)生，這就是中子β衰變的本質(zhì)。

為了讓大家更直觀地理解量子場(chǎng)、基態(tài)、激發(fā)態(tài)和基本粒子的關(guān)系，我們可以再做一個(gè)類(lèi)比：量子場(chǎng)的基態(tài)，就像是一片波瀾不驚的大海，非常平靜，此時(shí)海面上沒(méi)有任何浪花，就相當(dāng)于沒(méi)有基本粒子；而受到能量波動(dòng)的量子場(chǎng)，就像是被風(fēng)吹起的大海，從平靜的基態(tài)轉(zhuǎn)變成洶涌澎湃的激發(fā)態(tài)，海面上出現(xiàn)的一朵朵浪花，就相當(dāng)于量子場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生的基本粒子。

浪花會(huì)隨著風(fēng)的變化而產(chǎn)生和消失，就像基本粒子會(huì)隨著量子場(chǎng)的激發(fā)和退激而產(chǎn)生和湮滅；不同的風(fēng)，會(huì)吹起不同的浪花，就像不同的能量波動(dòng)，會(huì)激發(fā)不同的量子場(chǎng)，產(chǎn)生不同的基本粒子。

量子場(chǎng)論的這種解釋?zhuān)鋵?shí)可以看作是一種形式上的“無(wú)中生有”，但這里的“無(wú)”，并不是我們平時(shí)理解的“什么都沒(méi)有”，而是量子場(chǎng)的基態(tài)（真空狀態(tài)）——它雖然沒(méi)有基本粒子，但依然有能量，有量子場(chǎng)本身。

這種“無(wú)中生有”，并不是憑空產(chǎn)生，而是能量的轉(zhuǎn)化和量子場(chǎng)的激發(fā)，它完全符合量子力學(xué)的規(guī)律，也避免了“奇點(diǎn)”這個(gè)讓人頭疼的概念——按照量子場(chǎng)論的觀點(diǎn)，宇宙大爆炸并不是從一個(gè)無(wú)限小的奇點(diǎn)開(kāi)始的，而是從量子場(chǎng)的基態(tài)（量子混沌狀態(tài)）開(kāi)始的，隨著量子場(chǎng)的激發(fā)和能量波動(dòng)，逐漸產(chǎn)生了基本粒子，進(jìn)而演化出了宇宙萬(wàn)物。而且從量子力學(xué)的角度來(lái)講，這種詮釋確實(shí)是合情合理的，也得到了越來(lái)越多科學(xué)家的認(rèn)可。

量子場(chǎng)論中強(qiáng)調(diào)的量子場(chǎng)基態(tài)和激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)變，其實(shí)就是我們常說(shuō)的“量子漲落”。

量子漲落是量子世界的一個(gè)基本特性，它是隨機(jī)發(fā)生的、不可預(yù)測(cè)的，就像是平靜的大海上，隨機(jī)出現(xiàn)的一些小波瀾。這種漲落的本質(zhì)，就是量子場(chǎng)在基態(tài)時(shí)的能量波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致量子場(chǎng)短暫地激發(fā)，產(chǎn)生虛粒子對(duì)——虛粒子對(duì)是由一個(gè)粒子和它的反粒子組成的，比如電子和正電子、光子和反光子等。

這些虛粒子對(duì)有一個(gè)非常奇特的特點(diǎn)：它們衍生出來(lái)之后，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)相互湮滅，把能量歸還給真空（量子場(chǎng)的基態(tài)），所以我們平時(shí)無(wú)法直接觀測(cè)到它們，這也是它們被稱(chēng)為“虛粒子”的原因。

但按照量子力學(xué)不確定性原理的詮釋?zhuān)灰獣r(shí)間足夠長(zhǎng)，任何可能發(fā)生的事情，最終都會(huì)發(fā)生，而且一定會(huì)發(fā)生。

于是，在宇宙誕生之前的量子混沌狀態(tài)中，經(jīng)過(guò)了足夠長(zhǎng)的時(shí)間（當(dāng)然，在量子世界里，時(shí)間的概念和我們宏觀世界不同，“足夠長(zhǎng)的時(shí)間”也可能只是我們眼中的“一瞬間”），有一對(duì)虛粒子對(duì)并沒(méi)有發(fā)生湮滅，而是成功保留了下來(lái)，并且不斷吸收周?chē)孔訄?chǎng)的能量，最終成為了穩(wěn)定的基本粒子。

這個(gè)過(guò)程，在我們宏觀世界的常識(shí)來(lái)看，似乎違反了大自然的法則——比如能量守恒定律，因?yàn)樘摿Ｗ訉?duì)的產(chǎn)生和保留，看起來(lái)像是“憑空產(chǎn)生了能量”。

但實(shí)際上，這并沒(méi)有違反能量守恒定律，因?yàn)樘摿Ｗ訉?duì)的產(chǎn)生，是依靠量子場(chǎng)的零點(diǎn)能，而它們保留下來(lái)之后，吸收的能量也是量子場(chǎng)本身的能量，整個(gè)過(guò)程中，能量依然是守恒的。

而且，量子力學(xué)本來(lái)就完全顛覆了我們對(duì)大自然的傳統(tǒng)認(rèn)知，我們不能用宏觀世界的思維方式，去衡量量子世界里的現(xiàn)象——在量子世界里，粒子可以同時(shí)處于多個(gè)位置，也可以同時(shí)具有多種狀態(tài)，甚至可以“穿墻而過(guò)”（量子隧穿效應(yīng)），這些現(xiàn)象在宏觀世界里都是不可能發(fā)生的，但在量子世界里，卻是普遍存在的。

更重要的是，在量子世界中，時(shí)間的概念并不是絕對(duì)的，甚至可以說(shuō)，量子世界本身并不存在我們宏觀世界所理解的“時(shí)間”，所以“足夠長(zhǎng)的時(shí)間”，也可能只是量子世界中的“一瞬間”，這也解釋了為什么虛粒子對(duì)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)，完成從產(chǎn)生到保留的過(guò)程。

上世紀(jì)80年代，著名物理學(xué)家霍金，以及哈特爾等科學(xué)家，就嘗試?yán)谩傲孔右?chǎng)論”來(lái)探索宇宙起源的問(wèn)題。

量子引力場(chǎng)論，是一種試圖將廣義相對(duì)論（描述宏觀引力）和量子力學(xué)（描述微觀粒子）結(jié)合起來(lái)的理論，它的目標(biāo)是建立一個(gè)能夠統(tǒng)一解釋宇宙所有現(xiàn)象的“萬(wàn)物理論”?；艚鸬热死昧孔右?chǎng)論，用“波函數(shù)”來(lái)描述宇宙誕生瞬間的量子狀態(tài)，然后運(yùn)用費(fèi)曼的路徑積分方法，計(jì)算出我們的宇宙誕生的概率。

根據(jù)他們的計(jì)算，我們的宇宙誕生的概率其實(shí)是非常低的，低到幾乎可以忽略不計(jì)——就像在一片茫茫大海中，隨機(jī)出現(xiàn)一朵浪花，而這朵浪花恰好長(zhǎng)成了一座高山一樣。

但無(wú)論這個(gè)概率有多低，只要時(shí)間足夠長(zhǎng)，它就一定會(huì)發(fā)生。按照這種觀點(diǎn)，我們的宇宙，包括宇宙中的萬(wàn)物，包括我們?nèi)祟?lèi)自己，都只不過(guò)是量子場(chǎng)隨機(jī)發(fā)生的一次“量子漲落”罷了，而且是一次非常巨大、非常罕見(jiàn)的量子漲落。

雖然這種觀點(diǎn)聽(tīng)起來(lái)非常不可思議，但它卻是目前量子引力場(chǎng)論對(duì)宇宙起源的一種主流詮釋?zhuān)驳玫搅撕芏嗫茖W(xué)家的支持。

讓人感到神奇的是，我國(guó)古代哲學(xué)家老子，早在兩千多年前，就提出了“無(wú)中生有”的思想，他認(rèn)為“無(wú)中生有”才是宇宙的真相。在他的經(jīng)典著作《道德經(jīng)》中，有這樣一句話：“天下萬(wàn)物生由于有，有生于無(wú)。”

這里的“有”，就像極了我們剛才所說(shuō)的、處于激發(fā)態(tài)的量子場(chǎng)——它產(chǎn)生了基本粒子，演化出了宇宙萬(wàn)物；而這里的“無(wú)”，則更像是宇宙誕生之前的“量子混沌狀態(tài)”，充滿(mǎn)了處于基態(tài)的量子場(chǎng)——它雖然沒(méi)有基本粒子，沒(méi)有具體的形態(tài)，但卻是宇宙萬(wàn)物的“源頭”。

兩千多年前的哲學(xué)思想，竟然和現(xiàn)代量子場(chǎng)論對(duì)宇宙起源的詮釋不謀而合，這不得不讓人感嘆人類(lèi)智慧的偉大，也讓人對(duì)宇宙的奧秘更加充滿(mǎn)了敬畏。