第1章 看看宇宙大爆炸 (第4/8页)

的负36次方秒到10的负32次方秒之间通过空间爆胀增加的。

    一、宇宙大爆炸能量来源

    那宇宙增加的这么多能量是从哪里来的呢？天文学的主流观点认为是从真空获取的能量，真空蕴含着大量能量，它存在高能量状态和低能量状态，就好比水库一样，大爆炸之前的真空处于高能量状态，大爆炸之后变为低能量状态。

    因为存在类似大坝高度固定的某种条件限制，所以真空能量的变化也是相对固定的，这就相当于真空暴胀场的能量密度是固定值。根据前面讲过的弗里德曼公式，暴胀场的能量密度固定会引发空间指数膨胀。

    另外，真空能量发生变化后，如同水库上游的水倾泻到下游，在下游积攒了大量能量。按照之前所讲，能量与真空相互作用能产生各种粒子，这些能量在下游的真空里形成了一团包含夸克、胶子、电子、光子等的粒子云，之后粒子云逐步合并形成质子、中子、原子核、原子、恒星和星系等。

    总之，真空从高能量状态转变为低能量状态，其能量数值变化相对固定，这导致了空间指数膨胀、能量损耗，同时在真空里激发出粒子云，正好对应暴胀场理论和大爆炸理论这两个互补的理论。在宇宙学领域，目前只有这两个理论有较多观测证据，暴胀场理论有部分观测证据，大爆炸理论至少有6个观测证据，其他理论基本缺乏观测证据。所以，宇宙大爆炸的能量很可能来源于真空势能的变化，这一点很重要，我再强调一下，宇宙大爆炸的能量很可能来源于真空势能的变化。

    二、关于真空能量的思考及不同理论观点

    那真空的能量又是从哪里来的呢？有以下两种思路：

    1. 霍金等人的观点：霍金认为物质的能量与真空的能量之和为0，如果物质的能量是正的，那么真空的能量就是负的。（此处“伊拉克”表述有误，推测可能想说“狄拉克”，狄拉克是20世纪除爱因斯坦之外非常重要的物理学家，他认为真空是充满负能量态的粒子海，其对真空的理解可供我们参考。）

    2. 能量守恒相关探讨：在现代物理学中，能量守恒等价于时间的平移不变性，假如自然法则不遵循时间的平移不变性，那么能量可能不守恒。事实上，现在不少天文学家认为宇宙物质部分的能量是不守恒的，至于物质与真空的总能量是否守恒还存在争议，我个人认为物质加真空的总能量应该是守恒的。

    那真空为什么有能量呢？真空里面到底有什么东西？人类对真空的认知还处于类似盲人摸象的阶段，用不同的理论去观察真空，会得到不同的结论。例如：

    1948年，卡西米尔通过实验证明真空并非空无一物，里面存在能量涨落；1960年，量子场论认为真空里充满了虚粒子；1990年，量子信息领域认为真空是具有大量量子纠缠的量子比特海；2000年，宇宙学研究发现真空里存在暗能量，暗能量促使宇宙加速膨胀。

    人类至今还无法完整描绘出真空的真实面貌。

    三、多重宇宙相关探讨及与其他宇宙观对比

    真空为什么存在能量高的状态和能量低的状态呢？真空在一个点会发生宇宙大爆炸，在其他点有没有可能也会发生宇宙大爆炸呢？对于这两个问题，目前科学暂时无法给出确切答案，只能借助科幻的多重宇宙模型来探讨。

    多重宇宙观点认为存在一个有限或者无限的真空，里面有很多“泡泡”，每一个“泡泡”就是一个宇宙，“泡泡”里面有时间、空间、粒子，而“泡泡”外面没有时间、空间、粒子，只有真空。

    由于存在量子涨落，真空的能量并非完全均匀，有高有低，一些真空区域能量高，另一些真空区域能量低。霍金曾打过比方，真空就像临近沸腾的水，一旦某个区域温度超过100°c，就会瞬间形成一个气泡，也就是发生一次宇宙大爆炸，释放该区域真空的能量。因为气泡形成过程是吸收热量的，就像宇宙大爆炸吸收了真空里局部过高的能量，从而在真空里“吹”起一个宇宙泡泡。

    那宇宙泡泡未来的宿命是什么呢？既然泡泡起源于向真空借能量，那么泡泡最终的归宿必然是把能量还回真空，有借有还嘛。具体来说，物质通过质子衰变、黑洞霍金辐射、大撕裂、真空衰变等方式变成光子，而光子的波长会随着空间膨胀被拉长，即光子的能量被空间膨胀降低，那光子减少的能量去哪儿了呢？当然是回归引力场或者回归真空了。所以，从多重宇宙角度来看，回归真空有可能是我们这个宇宙泡泡的最终归宿，这一点很重要，我再强调一遍，从多重宇宙的角度来说，回归真空有可能是我们这个宇宙泡泡的最终归宿。

    四、宇宙观的发展

    既然宇宙起源于真空，那真空又是怎么来的呢？假如真空是由真真空创造的，那真真空又是谁创造的呢？这样追问本源是无穷无尽的。真空也只