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(gè)真空漲落（vacuum fluctuation）？”聽眾都是學(xué)物理的，大家心領(lǐng)神會(huì)。全場哄堂大笑，因?yàn)檫@是一個(gè)只有內(nèi)行才懂的幽默。
笑聲讓那個(gè)冒失鬼頗為尷尬。他是溫伯格的學(xué)生，名叫特萊恩（Edward Tryon），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(shí)，他是認(rèn)真的。
在基本理解了宇宙自大爆炸以來的演化之后，科學(xué)家面臨一個(gè)終極叩問：這個(gè)浩瀚、深邃的宇宙是從哪里來的？如何出現(xiàn)的？
早在1930年代初，愛丁頓在腦子里為宇宙的膨脹“倒帶”時(shí)不寒而栗——他無法接受也沒法想象——宇宙萬物，還有時(shí)間，會(huì)有一個(gè)起始點(diǎn)，一個(gè)來源。
勒梅特和伽莫夫?qū)⑦@個(gè)起點(diǎn)納入了嚴(yán)格的理論體系。但無論是“原始原子”還是“伊倫”，這都未能為宇宙的“原始火球”提供具體的模型和來歷。因此，他們能說的只是最原始的宇宙，沒有大小，尺寸為零，它的密度、溫度、壓力都是無窮大。那是一個(gè)數(shù)學(xué)的奇點(diǎn)，所有物理理論都已經(jīng)失效。
霍伊爾當(dāng)初為這個(gè)理論冠以俗氣的“大爆炸”混號(hào)，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(gè)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(gè)描述活靈活現(xiàn)，卻也不失準(zhǔn)確。
及至1980年代初，古斯認(rèn)為那時(shí)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：是什么爆炸了？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?”）在古斯看來，他覺得他發(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?yàn)榧僬婵罩皇且粋€(gè)亞穩(wěn)態(tài)，具備一種與引力相反的強(qiáng)大能量，因此會(huì)導(dǎo)致宇宙指數(shù)式膨脹。不過，古斯的暴脹仍然是大爆炸發(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(diǎn)的時(shí)間起點(diǎn)。他只能逼近到10-37秒的時(shí)刻。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(shí)間，縱向是大??；宇宙爆炸之后進(jìn)入指數(shù)增長的暴脹，隨后“緩慢”膨脹，直到“最近”宇宙搐動(dòng)后進(jìn)入加速膨脹（最右端的“喇叭口”）。圖中還標(biāo)記了微波背景輻射、黑暗時(shí)期、第一代恒星、星系等出現(xiàn)的大致時(shí)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(gè)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。所謂的宇宙年齡只是我們視界的這部分（這個(gè)特定的泡泡）的年齡，而不是多重宇宙的年齡。因?yàn)楸┟浭怯篮愕?，不斷有新的泡泡在誕生、在膨脹，在這種單個(gè)宇宙不斷誕生、消失的情形下，多重宇宙作為一個(gè)整體是永恒的，不需要有起點(diǎn)和終點(diǎn)。然而他的想法同樣像美麗的肥皂泡一般很快破滅了：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(gè)永恒暴脹在時(shí)間上只適用于未來的方向。多重宇宙也許會(huì)走向永恒，卻無法有永遠(yuǎn)的過去。將時(shí)間倒推回去，還是必須有一個(gè)起點(diǎn)。
我們?nèi)祟?，無論哪個(gè)文化哪個(gè)部落，自古以來都有著神靈崇拜。每個(gè)種族都會(huì)樸素、直覺地認(rèn)同這個(gè)世界是某個(gè)上帝為我們專門設(shè)計(jì)、創(chuàng)造的。古希臘圣賢把這歸結(jié)為客觀世界得以存在的最根本的“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?！?/span>
托勒密構(gòu)造最早的宇宙模型時(shí)，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(dòng)天球轉(zhuǎn)動(dòng)，俯瞰人間滄桑。在哥白尼、開普勒認(rèn)識(shí)星體的運(yùn)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(yùn)動(dòng)可以用他的引力和動(dòng)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(rèn)為那簡潔、優(yōu)美的物理定律便是上帝的化身。但牛頓無法解釋這些星球最初始是如何運(yùn)動(dòng)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(gè)推動(dòng)了一下，之后太陽系便永遠(yuǎn)地不再需要上帝。
這是一個(gè)是非常實(shí)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；但遇到科學(xué)尚未能理解的領(lǐng)域時(shí)，也許可以拉上帝來充當(dāng)一下龍?zhí)住?00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(diǎn)燃第一把火呢？
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。2500多年前，老子在《道德經(jīng)》中就宣告：“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(dāng)于普拉切特那個(gè)“啥也沒有”（nothing）。
這也正是特萊恩所耿耿于懷的。在物理學(xué)中，所謂的“無”便是真空。經(jīng)典物理的真空是最簡單的系統(tǒng)，比如設(shè)想一個(gè)強(qiáng)力抽氣機(jī)將一個(gè)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，不存在任何物理。然而，這個(gè)完全確定、能量永遠(yuǎn)為零的狀態(tài)違反了量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理，不可能存在。在量子世界中，真空不靜寂，會(huì)時(shí)常發(fā)生隨機(jī)的漲落事件。例如，真空中會(huì)突然冒出一個(gè)電子和一個(gè)正電子，它們很快又互相湮滅而消失。這個(gè)過程極其短暫，只經(jīng)歷大約10-21秒，只不過是無法被察覺。這些稍瞬即逝的粒子叫做“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(diǎn)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(gè)直接測量真空漲落的途徑：在真空中將兩塊平板靠近，由于平板不帶電，沒有電磁作用，而平板之間的引力太小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)靠得足夠近時(shí)，零點(diǎn)能會(huì)使兩塊板“沒來由”地互相吸引。這個(gè)“卡西米爾效應(yīng)”（Casimir effect）直到1990年代才被精確的測量證實(shí)。事實(shí)上，早在1970年代，物理學(xué)家們就對(duì)真空能的存在深信不疑。
1974年，霍金在訪問蘇聯(lián)時(shí)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(huì)有一定輻射逸出的新思想。因?yàn)楹诙础氨砻妗保▽I(yè)的名稱叫“事件視界”：event horizon）附近的真空漲落也會(huì)產(chǎn)生諸如電子與正電子的虛粒子對(duì)。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(gè)便不再有機(jī)會(huì)與同伴湮滅，只能孤身逃逸成為可被觀察到的實(shí)在粒子。這個(gè)尚未被證實(shí)的“霍金輻射”（Hawking radiation）也是真空漲落在現(xiàn)實(shí)、宏觀世界的表現(xiàn)。
特萊恩在1969年脫口而出，提出宇宙可能來自真空中的隨機(jī)漲落，也不失為一個(gè)有趣的想法。但真空漲落有頗多限制，因?yàn)楫a(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(jī)會(huì)越??；如果出現(xiàn)，其壽命也會(huì)越短，會(huì)更快地重新湮滅而無跡可尋。如果這浩瀚宇宙的初始如一顆微小粒子從真空中隨機(jī)出現(xiàn)，并且在歷經(jīng)100多億年之后還風(fēng)霜依舊，這不能不讓特萊恩的同行們覺得這是一個(gè)無比機(jī)智的內(nèi)行笑話。
然而，宇宙來源于真空漲落這個(gè)念頭還是一直在特萊恩的腦子里游蕩，揮之不去。直到有一天，他偶遇曾經(jīng)是愛因斯坦助手的伯格曼（Peter Bergmann），伯格曼告訴了特萊恩一個(gè)有意思、卻很少人注意到的物理事實(shí)：宇宙其實(shí)壓根就沒有能量。
最早意識(shí)到這個(gè)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。
恒星所具有的氫原子，它們的質(zhì)量、動(dòng)能都是能量，而且是相當(dāng)巨大的正能量。但同時(shí)，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(fù)的，正好與那正能量抵消。所以，恒星沒有凈能量。至于物體在引力場中所具有的勢能，不過是一種相對(duì)的能量，只取決于勢能零點(diǎn)的選擇，其本身并無所謂正負(fù)。同時(shí)，勢能也不是引力場本身的能量。
設(shè)想兩個(gè)物體相距很遠(yuǎn)，因?yàn)橐Χハ嗫拷?。它們?huì)跑得越來越快，動(dòng)能在增加。同時(shí)，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?yàn)閯?dòng)能永遠(yuǎn)是正數(shù)，那不斷增大的引力場的能量必須是負(fù)的，才能抵消動(dòng)能的增長，保證總能量的守恒。
約丹只針對(duì)單個(gè)的恒星做了這個(gè)推演，但他的計(jì)算也適用于整個(gè)宇宙。加州理工學(xué)院的托爾曼（Richard Tolman）隨后證明，在廣義相對(duì)論中，宇宙物質(zhì)正能量與引力場負(fù)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(gè)沒有凈能量的宇宙。
其實(shí)，托爾曼在1934年就把這個(gè)結(jié)論寫進(jìn)了他出版的教科書，只是知者甚寡。特萊恩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(gè)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(huì)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(píng)論快報(bào)》。很快，他收到雜志的退稿，理由是過于匪夷所思，不切實(shí)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》。他只是期望能以讀者來信方式發(fā)表這個(gè)通俗版本，引起一點(diǎn)關(guān)注。不料，《自然》編輯慧眼識(shí)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。
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。
1980年代，當(dāng)古斯的暴脹理論引起轟動(dòng)時(shí)，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(gè)平坦的宇宙，因此總能量為零。這就解釋了宇宙何以能暴脹、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(gè)起點(diǎn)之后便開始琢磨起宇宙的這個(gè)起點(diǎn)來。他發(fā)現(xiàn)，由真空漲落出現(xiàn)的宇宙泡泡因?yàn)檫^于微小，只能自我坍縮而消失，不可能發(fā)展為今天的宇宙。但在量子世界里，它們的短暫存在就有機(jī)會(huì)通過隧道效應(yīng)突然變大，從而開啟暴脹。（隧道效應(yīng)本來是當(dāng)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(jī)制.）意外的是，他進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這個(gè)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(dòng)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?yàn)橛钪娴膬裟芰繛榱?，它可以在真空漲落中涌現(xiàn)。那出現(xiàn)的微小、短命泡泡進(jìn)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(dòng)。如古斯所言：宇宙是終極的免費(fèi)午餐（the ultimate free lunch）。
與維倫金同時(shí)，霍金在1980年代也提出了一個(gè)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(rèn)為整個(gè)宇宙可以在四維時(shí)空以一個(gè)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(gè)“有限無邊”球形宇宙相似，這個(gè)波函數(shù)在時(shí)間維度上沒有起始邊界，也就沒有起始之前的概念。當(dāng)然，他們的宇宙本身并不是沒有起點(diǎn)。只是在他們的模型中，不存在大爆炸之前的時(shí)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(huì)上第一次公開這個(gè)想法的。自從1950年代大爆炸的提出，天主教教皇對(duì)這個(gè)理論一直頗感興趣，因?yàn)榇蟊ār(shí)間起點(diǎn)等等“顯然”符合教義，是上帝存在的科學(xué)證明。事后，霍金本來是在慶幸他的演講學(xué)術(shù)性很強(qiáng)，而教皇沒有聽懂，卻在演講會(huì)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(shí)刻，意思是那是神跡所在，非常人可即。但是，霍金的無邊界方案恰恰是指出那一時(shí)刻并不存在，也就是沒有了上帝的可立足之地。
維倫金與霍金分別提出的是兩個(gè)截然不同的宇宙起源方式，孰是孰非，或兩者都是一派胡言，都無法通過科學(xué)來論證。但無論宇宙從何而來、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(gè)平坦的世界，同時(shí)也抹殺了其時(shí)間的歷史。暴脹的宇宙都是“一個(gè)模子里出來”的，它平坦均勻，只存在暴脹結(jié)束時(shí)由量子漲落帶來的些許漣漪，或者，我們的宇宙與多重宇宙中其它泡泡宇宙一樣，暴脹前的宇宙都超越我們的視線所能及。因此，基于目前的理解我們無法確證宇宙的終極淵源。
真空漲落？！至于“為什么”？，特萊恩在他的論文中輕描淡寫地作了回答：【作為真空漲落，】我們的宇宙不過是隨時(shí)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.”）
來源：程鶚 的博客
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