互动科普

我读研究生的第二年，就听到一种十分离奇的理论，我们的宇宙产生于“无”。这里，无是真正的无，而不是空虚的真空，真空再怎么空虚，毕竟还有真空存在，这是什么也没有的空间。其实，在现代物理学中，即使真空，其中也无时不刻地产生着各种“虚粒子”对，产生量子涨落。真正的无，是一无所有，也许是海德格尔哲学中的虚无。在物理学中，“无”有严格的定义，即，连时空也不存在。

很难想象虚无，因为人类能够想象的东西，都是可以感知的东西，既然可被感知，当然不是虚无。物理学是用数学语言来描述的，我们就可以定义无是什么。在我们定义了“有”之后，其中包括时间和空间、时空中的场等等，我们就可以定义无了，即没有时间和空间，更没有场。

给定了时间和空间，场就有了表演的舞台。对于场来说，时空是背景，是舞台。在时空之中，场无时无刻地在做量子涨落，这些涨落，就是粒子。但粒子很难实化，因为能量必须守恒，所以一对粒子产生了马上又互相湮灭，这种粒子对叫做虚粒子对。要在真空中产生真正的粒子，必须提供能量，比如说，加上电场，这样，电场中的能量就会转化为粒子。带电场的“真空”中粒子对的产生过程是这样的：一对虚粒子产生出来后，这对粒子如果带电，由于电荷守恒，它们带的电荷正好相反，这样，带正电的粒子沿着电场的方向加速，带负电的粒子沿着相反的方向加速。如果初始产生出来的粒子对之间的距离足够大，在加速之后，它们就没有机会找到对方互相湮灭了。

上面描述的在电场中带正负电荷的粒子对的产生方式又叫隧穿，是量子力学中的特有现象。本来，这些粒子只是虚的，但量子涨落让它们克服了束缚它们的“势能”，在电场的作用下，就成为实在的粒子了。

既然虚粒子无时无刻地在真空中涨落，我们就会问一个推广了的问题，时空在爱因斯坦的广义相对论中是可变的，那么时空本身会不会从什么东西中涨落出来？

场和粒子的表演舞台是时间和空间，那么，时间和空间的表演舞台是什么？在现存的理论中，没有固定的说法。这样，霍金和哈特尔就可以发挥想象了。你可以想象我们的宇宙是漂浮在“无”之中的一座孤岛，孤岛上或更准确地说孤岛本身就是一个时空，时空之外什么也没有，那么就是无。时空可以在无中漂浮，就像粒子可以在时空中漂浮。粒子可以从真空中产生出来，时空也就可以从无中产生出来。粒子是成对产生的，时空呢？一个粒子有它的反粒子，但时空没有反时空，所以时空就可以单独地产生出来。更加准确地，一个闭合空间本身不带任何不为零的守恒荷，那么它就可以从无中产生出来。这就是1983年哈特尔和霍金论文中建议的宇宙产生于无的图像，也是我在读研究生第二年听到的消息。

哈特尔和霍金的论文现在用谷歌学术搜索，被引用的次数达到了两千五百次，确实不少了。但是，由于我们还缺乏一个大家都接受的量子引力理论，他们的建议无法在一个好的理论中实行计算。

既然一个宇宙可以从无中产生出来，多个宇宙也能从无中产生出来。在我们的宇宙之外也许还存在其他宇宙，由于它们与我们无关，多个宇宙的产生也就成为一个不重要的话题了，反正你也无法去测量。但是，有的宇宙可能通过量子涨落与我们的宇宙发生联系，例如，我们的宇宙作为“母宇宙”也可以生成很多“子宇宙”，这些宇宙的存在就和我们有关了。霍金后来用这个想法计算了“宇宙学”常数，得到零结果。但是，后来观测宇宙学家发现了暗能量，霍金的计算只能被扔进废纸篓中去了，因为最简单的暗能量就是宇宙学常数。

维兰金在1983年也提出了一个类似的从虚无中产生宇宙的想法，他的想法与哈特尔-霍金的稍有不同，并且计算几率的公式与后者差了一个符号，他们曾经花费大量精力来争论谁的公式是正确的。

进入本世纪，弦论中出现了弦景观，于是多元宇宙登上了舞台。多元宇宙论走的是相反的路子，本来就存在很多宇宙，我们的宇宙只是从其中之一中产生出来的子宇宙，并且，我们的宇宙又产生子宇宙，如此则子子孙孙无穷尽也。到底谁是谁非，恐怕20年内解决不了。

（本文发表于《科学世界》2013年第7期）