2024年07月12日 宇宙由大爆炸产生

#长文创作激励计划#“世界上没有免费的午餐。”——它背后的底层逻辑是：没有付出，就没有收获，世界上没有任何东西是会凭空产生，而我们又能随意得到的。然而，它不仅只是在揭示经济学的规律，还在一定程度上告诉了我们宇宙运行的最基本规则之一——物质守恒定律。

简言之，宇宙中的一切物质都不会凭空产生，也不会直接消失而成为“虚无”，通常它们只是在不同的存在形式中转换。

这让我们很容易想到一个悖论：关于宇宙的起源，目前科学界广泛认同的说法是“宇宙大爆炸”理论，即宇宙中的一切物质都来源于宇宙之始的一次大爆炸，在此之前宇宙中没有时间和空间的概念，而只有一个“奇点”存在。

那么，既然物质不会凭空产生，在大爆炸之前，现在的宇宙中所蕴含的所有物质又都是从哪里来的？宇宙最初的模样生活在现在这个天文学飞速发展的时代，我们可以“理所当然”地说出那个脑海中自然浮现出的答案：138亿年前，宇宙所有的物质和能量都“浓缩”在一个“奇点”中，后来宇宙发生了大爆炸，各种物质才“飞”离了中心，并逐渐成为了我们认知中那个熟悉的模样。

然而，在大约100年前的科学界，关于宇宙的起源，一直没有一个足以服众的定论。

甚至，在更之前的时间里，人们还更多地认为，宇宙是“静止”的——也就是说，宇宙从诞生之初直到现在都是差不多的布局，1万年前离地球有多远的星星，直到现在也还是与我们相隔一样的距离。

直到1929年，美国天文学家埃德温·哈勃（著名的哈勃望远镜就由他的名字命名）的研究成果才让“宇宙起源”这个众说纷纭的问题有了一个相对最可能的答案。

他提出了一个在宇宙学发展中至关重要的概念——宇宙膨胀。

在哈勃的观测中，他发现地球可以接收到一些随观测时间变化而有规律地发生变化的电磁辐射，它们来自距离地球十分遥远的一些星系，而辐射变化具体表现为辐射频率的降低与辐射波长的增长，在可见光波段，这样的变化会使得波段向红端移动——因此，这个现象被形象地称为“宇宙红移”。

这就意味着，这些辐射波段发生了“红移”的星系，其实正在远离地球。

也就是说，宇宙并非是静止的，而是正在运动的。

如果把这一发现推至整个宇宙的范围，那么我们就会惊奇地发现：假设以某处为宇宙的中心，那么它周围所有的天体都会像被“抛射”出去一般，逐渐离这处越来越远，而距离它越远的天体，远离它的速度也会越快——换而言之，宇宙正在“膨胀”。

这一发现极大地震动了当时的天文学界，因为它有力地反证了宇宙的起源。

让我们想象着，将宇宙的时钟一点一点倒拨，让所有星星沿着它们的“来路”原路返回：让黑洞“返老还童”，成为恒星；又让恒星的核聚变反应回溯，还原氢分子，直到它成为原始的物质云；再将较重的分子还原成轻元素，让物质分解成能量；宇宙的温度和密度在这个过程中会变得越来越高，越来越极端……最终，在时间的尽头，也是时间的起点，所有物质都汇集到了一“点”上，那就是“奇点”。

奇点其实并不是一个“点”，它存在的状态是很难用语言描述出来的，因为它根本不在人类的可理解范畴中。

原因在于，一般来说，我们生活的空间是一个三维空间，有着它的“长”、“宽”、“高”，于是我们就可以在这个三维空间中上下、左右、前后地随意移动。

现在的物理学界中也很常用“四维”的概念，意思就是在原本的三维空间中再加上一条维度——时间。

而奇点的维度，竟然是“0”，它不可思议地存在于一个“0”维的空间中。

“0”的意思就是什么也没有，于是我们也可以这么理解奇点“0”维空间的含义：奇点的所在之处，并没有空间和时间的概念，因此我们所知的任何物理学定律在此处都不存在。

可以说，奇点的存在并不是严格意义上的“什么都没有”，但是以我们作为三维生物的理解能力来说，奇点确实就是一片“虚无”。

奇点的温度无限高、质量无限大、密度无限密集，体积却无限小——但不是真的在物理意义上小得我们看不到，因为这样的说法其实和数学中的“无限大”∞类似。

就像∞指的并不是任何一个具体的数字那样，奇点指的也不是一个具体的点或是一个具体的位置，而只是用“无限”来形容一种现有物理定律不可及的状态。

照这么说，既然没有任何空间和时间的概念，那么奇点也应该不存在任何物质与能量，而是一种“真空”的状态了——当然，这也并非我们日常生活中所理解的“真空”，而只是用以形象地描述奇点那种不存在物质与能量，或者说不存在我们认知中的物质与能量的状态。

然而，这似乎又违背了物质守恒定律。

如果说奇点什么都没有，那么它又是如何发生大爆炸的？由其爆炸而产生的种种粒子，难道都是“凭空生成”的？“真空”中也有运动的量子网络上流传着一句玩笑话：“遇事不决，量子力学。

”这是说，当一些科幻类的文学或是艺术作品无法在逻辑上自圆其说时，许多作者往往会把问题抛向大众认知中非常陌生，甚至是神秘、“玄乎”的量子力学上，来让自己的作品更加高深莫测。

当然，实际上的量子力学没有那么“神”，但它的确可以解释许多我们以经典物理学的视角无法理解的现象。

原因在于，“量子”实际上是将微观世界的粒子分割到无法分割的、最小的物理单位，而量子有一个至关重要的特性——不确定性。

我们可以用经典的“双缝干涉实验”来解释什么叫“不确定性”。

这一实验由物理学家托马斯·杨在1801年左右首次进行，以展示光的波动性。

但在后来的物理学发展中，越来越多的物理学家用该实验来验证其他粒子例如电子的运动规律，此后又终于被应用于量子力学领域。

在实验中，科学家们设定了一个粒子以及两条狭缝，并将粒子穿过狭缝的过程记录在屏幕上。

当粒子通过两个狭缝后，其在屏幕上的分布形成了一系列明暗相间的条纹，即干涉图样。

这样的图样只有在波穿过狭缝后才能形成——因此，量子是具有波粒二象性的，它的形态既是粒子，又是波。

而经过长时间的实验，科学家们发现，即使每次实验只发射一个粒子，但在不断的积累后，屏幕上仍然会出现同样的干涉图样。

也就是说，似乎每个粒子都通过了两条狭缝，并与自己发生了干涉——然而，当科学家试图观测粒子具体通过了哪一条狭缝时，干涉图样却神奇地消失了。

科学家们因此得出了结论：量子态在本质上是概率性的，是不确定的。

因此在双缝实验中，量子既可能通过狭缝A，又可能通过狭缝B，我们只能用概率函数来描述其可能性。

直到被实际观测到的那一刻，量子的运动才会“坍缩”成确定的状态。

早在1927年，德国物理学家维尔纳·海森堡就提出了量子的这一性质，并将其称为“测不准原理”或“不确定关系”，也就是后来大名鼎鼎的“海森堡不确定性原理”。

海森堡认为，粒子的物理量，例如位置、动量，是不能同时被精确测量的。

由此，科学家在量子场论领域推出了一个重要概念——“真空零点能”。

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