互动科普

在宇宙早期的极端情况下，能量守恒是否仍然成立并非一件确定无疑的事实。但如果假设能量守恒依然成立的话，在已知的物理定律下依然可以保证宇宙的产生。

为了使得宇宙暴胀发生，需要存在一种“物质”的能量密度不会随着暴胀迅速下降；根据量子场论我们知道真空的能量密度是不会降低的，这就为驱动宇宙暴胀提供了基础；更确切地说驱动暴胀的是“伪真空”，其在一定的时间内其具有恒定的能量密度，但是并不是真正的具有最低能量的真空基态。

假设在早期宇宙的某处发生了量子涨落，那么很小的区域内将可以处于“伪真空”的状态；由于“伪真空”具有负压强，将会产生类似于“负引力”的排斥力使得该区域膨胀；又由于“伪真空”的能量密度可以近似看作不变，该很小的区域会在极短的时间内膨胀大约10²⁵倍。随后“伪真空”会衰变到“真空”，从而释放出能量，这些能量将会产生由各种粒子组成的均匀、极热的宇宙汤；这就是通常热大爆炸的起点。

在该过程中能量守恒的关键就在于引力的作用。根据牛顿万有引力的理论，质量元之间只存在吸引力而没有排斥力。如统一将无限远作为势能零点，则将两个相互吸引的物体移到无限远总是需要克服引力做功，也就是引力能总是负的。在暴胀的过程中，虽然物质的能量增加了很多，但是引力能也在增加；由于这两种能量的符号相反，增加的部分在某些机制下可以抵消掉，所以总的能量依然是可以守恒的。

由于这些物质创生所需要的能量可以从引力中“借”来，相当于是从“无”中生出了“有”，所以在宇宙暴胀的理论下，宇宙的产生可以说是一个“完全免费的午餐”。

（本文发表于《科学世界》2013年第11期）