互动科普

霍金意识到只利用广义相对论不足以说明宇宙在诞生时的情况，于是将目光投向了量子论。量子论和相对论一样，也是在20世纪初诞生的一个物理学基础理论，并已经成为现代物理学的另一个支柱。这个理论被专门用来说明诸如像原子一般大小的或更小的微观物质的行为。因此，在探讨宇宙诞生瞬间那个极其微小的微观宇宙时，就必须要用到量子论。

按照量子论，微观世界有许多不可思议的奇怪现象。这里先来介绍一种同宇宙诞生话题密切相关的奇怪现象—“真空涨落”。

宇宙本身也在不停地出现和消失？

根据量子论的“不确定性原理”，站在微观的立场观察自然界，在我们根本意识不到的极其短暂的时间（1秒的10的负20次方）内，连物质本身是处在“存在”状态还是处在“不存在”状态都变得不可能确定。甚至在什么都没有的真空中，也不停地发生着两个粒子成对地产生出来（成对生成）和立即消失（成对湮灭）的现象。

空间的能量也不会总是保持为零。在极短的时间内观测，任何一个地点都没有一个确定的能量数值（能量和时间的不确定性关系），甚至还可能具有非常高的能量值。物理状态不能被惟一确定的这种现象叫做“涨落”。按照相对论，能量可以转化为质量。因此，在某个瞬间具有很高能量的地点，那里的能量就能够转化为粒子，即有粒子生成。不过，这样生成的粒子会立即湮灭，该地点又回到原来的状态。

在宇宙诞生时大概就发生过这种粒子在真空中不停地生成和湮灭的过程。据推测，在宇宙大小比1厘米的10的负33次方还要小的时候，宇宙的存在就处在涨落之中，宇宙本身也在不停地生成和湮灭。

瞬间的高能量转化为粒子

图解表现了在真空中为何有粒子成对地生成和湮灭。按照量子论，在原来什么也没有的地点也有可能因涨落而在极短时间内具有非常高的能量。按照爱因斯坦的相对论，能量可以转化为质量（E＝mc²），这种非常高的能量转化为粒子，这就是粒子的成对生成。这样生成的一对粒子是一个粒子和一个反粒子（粒子的配对粒子，具有与粒子相同的质量却具有相反的电荷）。

什么是同时生成粒子和反粒子的“成对生成”?

现在的理论认为，在真空中基本上不会只单独生成粒子。以电子为例，这是一种具有负电荷的粒子。根据物理定律，在原来没有电荷的地方突然只出现负电荷，这是根本不可能的，必须同时还有能够与这个负电荷相抵消的正电荷出现。因此，在生成一个电子时必然同时也会生成具有相反电荷的叫做正电子（电子的反电子）的另一个粒子。这种质量与粒子相同而电荷相反的与之配对的粒子叫做“反粒子”，粒子和反粒子成对同时生成的这个过程就叫做“成对生成”。除了电荷，反粒子的动量等性质也和粒子相反，可以互相抵消。成对生成所产生的粒子和反粒子很快又会发生碰撞而消失，这个过程叫做“成对湮灭”。

（本文发表于《科学世界》2013年第7期）