本文來自程鶚科學(xué)網(wǎng)博客
1969年，卡特和霍金的導(dǎo)師、劍橋大學(xué)宇宙學(xué)家夏瑪（Dennis Sciama）在哥倫比亞大學(xué)講學(xué)。在他話語停頓的間隙，有人突然迸出一句：“也許宇宙就是一個真空漲落（vacuum fluctuation）？”全場哄堂大笑。都是學(xué)物理的聽眾當即心領(lǐng)神會，因為那是一個只有內(nèi)行才懂的幽默。
笑聲中，那個冒失鬼頗為尷尬。他名叫特萊恩（Edward Tryon），是溫伯格的學(xué)生。他博士畢業(yè)才兩年，剛剛在哥倫比亞大學(xué)謀得助理教授職位。
其實，他是認真的。
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在基本理解了宇宙自大爆炸以來的所作所為之后，科學(xué)家面臨一個終極叩問：這個輝煌、浩瀚、深邃的宇宙是從哪里來的？如何出現(xiàn)的？這一切又都是為了什么，有啥意義？
早在1930年代初，愛丁頓在腦子里為宇宙的膨脹“倒帶”，不寒而栗。他無法接受——因為他沒法想象——宇宙萬物，還有時間，會有一個起始點，一個來源。
勒梅特和伽莫夫?qū)⑦@個起點納入了嚴格的理論體系。但無論是“原始原子”還是“伊倫”，他們都沒能為宇宙的“原始火球”提供具體的模型和來歷。這也是沒辦法。他們能說的只是最原始的宇宙沒有大小，尺寸為零。而同時它的密度、溫度、壓力卻都是無窮大。那是一個數(shù)學(xué)的奇點，所有物理理論都已經(jīng)失效。
所以，霍伊爾為這個理論冠以俗氣的“大爆炸”名號時，他的揶諭不是毫無來由。英國著名幽默作家普拉切特（Terry Pratchett）還曾在小說中模仿圣經(jīng)的語氣講解這個宇宙起源：“起初，啥也沒有，它爆炸了?！保ā癐n the beginning there was nothing, which exploded.”）這個描述活靈活現(xiàn)，卻也不失準確。
及至1980年代初，古斯也認為那時已經(jīng)成熟、被廣泛接受了的大爆炸理論只適用于爆炸之后的宇宙演變，卻回避了根本性的三大問題：什么爆炸了？為什么爆炸了？爆炸之前發(fā)生了什么？（“What banged? Why did it bang? What happened before it banged?”）
自然，古斯覺得他發(fā)現(xiàn)的暴脹提供了答案：爆炸的是基于大統(tǒng)一理論的假真空；因為假真空只是一個亞穩(wěn)態(tài)，具備一種與引力相反的強大能量，因此會導(dǎo)致宇宙指數(shù)式膨脹。不過，古斯的暴脹也還是大爆炸發(fā)生之后的事情。與勒梅特和伽莫夫一樣，他無法描述作為奇點的時間起點。他只能逼近到10-37秒的時刻。那時候他的宇宙非常之小，只有質(zhì)子的一千億分之一。那一刻，宇宙的暴脹開始，并導(dǎo)致隨后的大爆炸膨脹。
宇宙大爆炸過程示意圖。橫向是時間，縱向是大小。宇宙爆炸之后進入指數(shù)增長的暴脹，隨后“緩慢”膨脹，直到“最近”宇宙搐動后進入加速膨脹（最右端的“喇叭口”）。圖中還標記了微波背景輻射、黑暗時期、第一代恒星、星系等出現(xiàn)的大致時間。
那么，10-37秒之前，又發(fā)生了什么呢？
林德也曾以為他解決了這個難題。他的新暴脹理論幾乎摒棄了古斯原有的全部概念，尤其是具備混沌式初始條件的永恒暴脹，不再要求宇宙有始有終。我們所謂的宇宙年齡只是我們視界這部分——這個特定的泡泡——的年齡，而不是多重宇宙本身的年齡。因為暴脹是永恒的，不斷有新的泡泡在誕生、膨脹。在單個宇宙不斷地誕生、消失之際，作為一個整體的多重宇宙卻是永恒的，不需要有起點和終點。
然而這想法也很快像美麗的肥皂泡般破滅了。鮑德（Arvind Borde）、維倫金（Alex Vilenkin）與古斯一起從數(shù)學(xué)上證明，林德的這個永恒暴脹在時間上只適用于未來的方向。多重宇宙也許會走向永恒，卻無法有永遠的過去。將時間倒推回去，還是必須有一個起點。
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無論哪個文化哪個部落，人類自古以來都有著神靈崇拜。每個種族都會樸素、直覺地認同這個世界是某個上帝為我們專門設(shè)計、創(chuàng)造的。古希臘圣賢把這歸結(jié)為客觀世界存在最根本的“第一因”（first cause）。中國的老子則稱之為“道”：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”
托勒密構(gòu)造最早的宇宙模型時，在鑲嵌著恒星的天球外安排了上帝與諸神存在的天域。他們在那里緩緩地推動天球轉(zhuǎn)動，俯瞰人間滄桑。
在哥白尼、開普勒認識星體的運轉(zhuǎn)規(guī)律之后，牛頓發(fā)現(xiàn)，太陽系中所有行星、衛(wèi)星的軌道運動可以用他的引力和動力學(xué)理論完美地描述、預(yù)測，完全不需求助于神力。篤信宗教的他認為那簡潔、優(yōu)美的物理定律便是上帝的化身。但他無法解釋這些星球最初始是如何運動起來的，只能設(shè)想上帝將太陽、行星、衛(wèi)星像棋子一樣布好，然后逐個推動了一下。在那之后，太陽系便永遠地不再需要上帝。
這是一個非常實用的態(tài)度：在科學(xué)能夠解釋的自然世界中沒有上帝存在的理由；遇到科學(xué)尚未能理解的領(lǐng)域時，也許可以拉上帝來充當一下龍?zhí)?。無獨有偶，現(xiàn)代科學(xué)家在人擇原理上，表現(xiàn)如出一轍。
300多年后的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們走到了同一條河邊。宇宙從大爆炸之后就再也不需要上帝插手，可以優(yōu)雅、有序地按照已經(jīng)被理解的物理規(guī)律演變。可是大爆炸那一刻究竟發(fā)生了什么？是否需要上帝出手，按一下開關(guān)、點燃第一把火？
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2500多年前，老子在《道德經(jīng)》中還曾宣告：“天下萬物生于有，有生于無?！彼麤]有具體指出“無”是什么、又從何而來。它大體相當于普拉切特那個“啥也沒有”（nothing）。如何從宇宙誕生之前的“無”轉(zhuǎn)化為宇宙之“有”，一直都是哲學(xué)家、神學(xué)家乃至藝術(shù)家津津樂道的話題。
那也正是物理學(xué)家特萊恩所耿耿于懷的。因為在物理世界中，所謂的“無”便是真空。
經(jīng)典物理中的真空是最簡單的系統(tǒng)。想象一個強力抽氣機將一個容器內(nèi)部完全抽空，里面不再有任何分子、原子、粒子，沒有任何輻射，沒有任何能量。那便是真空，亦即空空如也、啥也沒有。不存在任何物理。
然而，這個完全確定、能量永遠為零的狀態(tài)違反了量子力學(xué)的測不準原理，不可能存在。因此，量子世界中的真空不那么靜寂，會時常發(fā)生隨機的漲落事件。例如，真空中會突然冒出一個電子和一個正電子，它們很快又互相湮滅而消失。這個過程極其短暫，只經(jīng)歷大約10-21秒，因此無法被察覺。這些稍瞬即逝的粒子因此也叫做“虛粒子”（virtual particle）。伴隨著這些虛粒子不斷的產(chǎn)生、湮滅，真空具備一定的能量，叫做“零點能”（zero point energy）。
1940年代后期，荷蘭物理學(xué)家、埃倫菲斯特的學(xué)生卡西米爾（Hendrik Casimir）在玻爾的啟發(fā)下提出了一個直接測量真空漲落的途徑：在真空中將兩塊平板靠近。因為平板不帶電，沒有電磁作用。它們之間的引力太小，可以忽略不計。但在靠得足夠近時，它們之間的真空所存在的零點能會使兩塊板“沒來由”地互相吸引。
這個“卡西米爾效應(yīng)”（Casimir effect）直到1990年代才被精確的測量證實。但即使在1970年代，物理學(xué)家對真空能的存在早已深信不疑。
1974年，霍金在訪問蘇聯(lián)時與澤爾多維奇和斯塔羅賓斯基交流后，提出黑洞不是全“黑”，會有一定輻射逸出的新思想。因為黑洞“表面”（專業(yè)的名稱叫“事件視界”：event horizon）附近的真空漲落也會產(chǎn)生諸如電子與正電子的虛粒子對。它們其中之一可能隨即被引力俘獲而墜入黑洞。剩下的那一個便不再有機會與同伴湮滅，只能孤身逃逸成為可被觀察到的實在粒子。這個尚未被證實的“霍金輻射”（Hawking radiation）也是真空漲落在現(xiàn)實、宏觀世界的表現(xiàn)。
所以，當特萊恩在1969年脫口而出，提出宇宙可能來自真空中的隨機漲落時，那不失為一個有趣的想法。然而，真空漲落也有頗多限制。其產(chǎn)生粒子的幾率取決于粒子的質(zhì)量，也就是產(chǎn)生它們所需要的能量。所需能量越大，產(chǎn)生的機會越小。如果出現(xiàn)，其壽命也會越短，會更快地重新湮滅而無跡可尋。因此，想象我們這浩瀚的宇宙如一顆微小粒子從真空中隨機出現(xiàn)，并且歷經(jīng)100多億年還風(fēng)霜依舊，這不能不讓特萊恩的同行們覺得那是一個無比機智的內(nèi)行笑話。
那場哄笑讓特萊恩很不自在，以至于隨后他自己都不再記得那個場面。然而，宇宙來源于真空漲落這個念頭卻還一直在他的腦子里游蕩，揮之不去。直到有一天，他偶遇愛因斯坦的助手伯格曼（Peter Bergmann）。伯格曼告訴了特萊恩一個有意思、卻很少人注意到的物理事實：宇宙其實壓根就沒有能量。
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最早意識到這個怪事的是德國物理學(xué)家、量子力學(xué)締造者之一約丹(Pascual Jordan）。他在1920年代探究恒星的可能起源，意外地發(fā)現(xiàn)恒星的總能量為零，完全可以“無中生有”地出現(xiàn)而不違反能量守恒。
是的，恒星中充滿了氫原子。它們的質(zhì)量、動能都是能量，而且是相當巨大的正能量。但同時，這些氫原子的質(zhì)量也產(chǎn)生同樣巨大的引力場，其能量是負的，正好與那正能量抵消。所以，恒星沒有凈能量。
對普通物理有點了解的人都知道物體在引力場中會有勢能。勢能是一種相對的能量，本身無所謂正負，只取決于勢能零點的選擇。但這個勢能只是物體在引力場中的能量，不是引力場本身的能量。
設(shè)想兩個物體相距很遠，因為引力而互相靠近。它們會跑得越來越快，動能在增加。同時，它們之間距離減小，互相之間的引力在變大，亦即它們共同的引力場在變大。因為動能永遠是正數(shù)，那不斷增大的引力場的能量必須是負的，才能抵消動能的增長，保證總能量的守恒。
（如果對引力場的高斯定律有一定了解，古斯對引力場是負能量還另有一個直觀的解釋：設(shè)想有一個理想對稱的球殼。因為牛頓引力與距離平方成反比，簡單的積分計算可以知道球殼內(nèi)部引力互相抵消，不存在引力場。球殼外的引力場則等同于球殼所有的質(zhì)量都集中在球心的引力場，與球殼的大小無關(guān)。然后，設(shè)想這個球殼在自身引力作用下收縮，變小了一圈。這時引力場唯一的變化是原來和現(xiàn)在兩個球殼之間那個環(huán)狀區(qū)域多出了原來沒有引力場。因為球殼的收縮是引力做了功，多出來的引力場能量是負的。由此可見，所有引力場的能量都是負的。）
伽莫夫在自傳中記錄他一次與愛因斯坦步行回家時談到約丹的論文。愛因斯坦聽到后凜然一驚，竟在大街中間停下腳步，差點被來往的汽車撞倒。然而，善于營造場景的伽莫夫卻沒能后續(xù)描述愛因斯坦的具體反應(yīng)。（與他聲稱愛因斯坦認為引入宇宙常數(shù)是他一輩子最大失誤的說法一樣，伽莫夫講述的故事可靠性需要存疑。）
約丹只針對單個的恒星做了這個推演，但他的計算也適用于整個宇宙。加州理工學(xué)院的托爾曼（Richard Tolman）隨后證明，在廣義相對論中，宇宙物質(zhì)正能量與引力場負能量的多寡取決于空間的曲率。在平坦的宇宙中，它們正好互相抵消，構(gòu)成一個沒有凈能量的宇宙。
雖然托爾曼把這個結(jié)論寫進了他在1934年出版的教科書，還是知者甚寡。特萊恩只是在與伯格曼的一番交談之后才得知宇宙中還暗藏了這么一個奧秘。他如夢初醒：既然宇宙的總能量是零，那么它從真空漲落中出現(xiàn)便會非常容易，也可以持續(xù)存在，不違反能量守恒。
他興致勃勃地重新梳理了這個幾年來一直縈繞腦際的怪想法，寫出專業(yè)論文，投寄給《物理評論快報》。很快，他收到雜志的退稿，理由是它過于匪夷所思，不切實際。特萊恩無奈，把稿件修改一番，刪去了太專業(yè)的成分，改投給《自然》。他只是期望他們能以讀者來信方式發(fā)表這個通俗版本，引起一點關(guān)注。不料，《自然》編輯慧眼識珠，不僅把它作為正式論文，還以頭條的顯著方式發(fā)表。這篇題為《宇宙是真空漲落嗎？》（Is the Universe a Vacuum Fluctuation?）的論文隨即在1973年12月14日問世。
特萊恩發(fā)表的《自然》論文。
即便如此，他的論文果然還是太匪夷所思，沒能引起什么反響。特萊恩后來也沒在哥倫比亞大學(xué)長呆，而是轉(zhuǎn)到附近的亨特學(xué)院。在一輩子默默無聞的教學(xué)生涯后，他最近于2019年12月去世。
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1980年代，當古斯的暴脹理論引起轟動時，托爾曼、特萊恩的研究才再度引起了注意。暴脹導(dǎo)致了一個平坦的宇宙，因此總能量為零。這解釋了宇宙如何能暴脹、持續(xù)膨脹而不違反能量守恒。
維倫金在證明了永恒暴脹也有一個起點之后便開始琢磨起這個起點來。他發(fā)現(xiàn)，由真空漲落出現(xiàn)的宇宙泡泡因為過于微小，只能自我坍縮而消失，的確不可能發(fā)展今天的宇宙來?？赡且仓皇墙?jīng)典物理的滯礙。在量子世界里，它們在短暫的存在期間有機會通過隧道效應(yīng)突然變大，從而開啟暴脹。（隧道效應(yīng)便是當年伽莫夫解釋原子核衰變、古斯原始的宇宙暴脹所采用過的機制。）
意外的是，他進一步發(fā)現(xiàn)，這個過程與初始宇宙的大小無關(guān)。即使是沒有任何大小、完全是“啥也沒有”的空虛，也可能通過隧道效應(yīng)啟動暴脹，成長為浩瀚的宇宙。
于是，宇宙的無中生有并不是天方夜譚。因為宇宙的凈能量為零，它可以在真空漲落中涌現(xiàn)。那出現(xiàn)的微小、短命泡泡進入穿越量子隧道，暴脹、膨脹成為我們今天的宇宙。
而這一切，都不需要上帝、神靈的推動。如古斯所言：宇宙是終極的免費午餐（the ultimate free lunch）。
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與維倫金同時，霍金在1980年代也提出了一個宇宙起源方案。他把他與哈特爾（James Hartle）合作而成的理論叫做“無邊界”（no boundary condition）。他們認為整個宇宙可以在四維時空以一個量子力學(xué)的波函數(shù)（wavefunction of the universe）描述。與愛因斯坦最初的那個“有限無邊”球形宇宙相似，這個波函數(shù)在時間維度上沒有起始邊界，也就沒有起始之前的概念。當然，他們的宇宙本身并不是沒有起點。只是在他們的模型中，不存在大爆炸之前的時間。
有意思的是，霍金是在1981年10月梵蒂岡舉辦的一次宇宙研討會上第一次公開這個想法的。自從1950年代大爆炸的提出，天主教教皇對這個理論一直頗感興趣。因為大爆炸、時間起點等等“顯然”符合教義，是上帝存在的科學(xué)證明。
霍金事后慶幸他的演講學(xué)術(shù)性很強，教皇沒有聽懂。因為教皇在會后指導(dǎo)說，可以研究宇宙大爆炸之后的演變，但不要涉足大爆炸那一時刻。那是神跡所在，非常人可即。（教會人士認為霍金可能誤解或歪曲了教皇。教皇的正式講話中只是強調(diào)宇宙起源可能超越科學(xué)所能解釋，沒有警告科學(xué)家回避的意思。）
而霍金的無邊界方案恰恰是指出那一時刻并不存在，也就沒有了上帝的可立足之地。
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維倫金與霍金所提出的是兩個截然不同的宇宙起源方式。孰是孰非，或兩者都是一派胡言，卻無法通過科學(xué)論證來定奪。因為宇宙無論從何而來、如何而來，都將經(jīng)過暴脹。暴脹不僅“拉平”了宇宙空間的皺褶，給我們一個平坦的宇宙，也同時抹殺了其時間的歷史。經(jīng)歷過暴脹的宇宙是“一個模子里出來”的。它平坦均勻，只存在暴脹結(jié)束時由量子漲落帶來的些許漣漪。與多重宇宙中其它泡泡宇宙一樣，暴脹前的宇宙超越我們的視線所能及。
因此，我們無法——至少基于目前的理解——科學(xué)地確證宇宙的淵源。但從理論上，我們能夠設(shè)想存在有不只一種的可能性，它不需要勞駕上帝出手。
至于那個“為什么”，特萊恩在他的論文中輕描淡寫地答道：【作為真空漲落，】我們的宇宙不過是隨時都在發(fā)生的平常事件之一。（“In answer to the question of why it happened, I offer the modest proposal that our Universe is simply one of those things which happen from time to time.”）
（待續(xù)）
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