上一篇我們了解到，因為退相干速度太快，你不會在宏觀世界看到量子疊加態(tài)。那么量子力學的那些“量子的”性質(zhì) —— 疊加態(tài)、隨機性、量子隧穿這些東西 —— 對宏觀世界有什么用嗎？其實物理學家一開始也不知道這些到底有啥用，惠勒有一句話是這么說的 [1] ——
“遇見量子，就如同一個遠方的探索者第一次看見汽車。這個東西肯定是有用的，而且有重要用處，但是到底有什么用呢？”
這一講開始，我們來說一些量子力學的應(yīng)用。咱們先說最大的應(yīng)用：宇宙。
我們的宇宙是這個樣子，可能多虧了量子力學。
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只要你喜歡思辨，哪怕你沒有任何現(xiàn)代化的觀測手段，單憑仰望星空，你也能問出一些有意思的問題來，而且你還可能猜到答案。比如說，古代所有哲學家可能都思考過這個問題：宇宙的萬事萬物都是從哪來的？古人給過各種答案，但是我敢說，最接近現(xiàn)代科學的答案，是來自中國東漢末年的年輕的天才，曹操的女婿，何進的孫子，著名的玄學家，何晏。
何晏的推理差不多是這樣的。萬事萬物各有各的形狀、顏色和聲音，但是從概念分類來說，應(yīng)該是越高級就越有普遍意義，越單一化；越低級就越具體，越多樣化。比如雞和鴨，你知道是什么樣子；但要是說“鳥”是什么，形象就不具體了；再往高走，“生命”是什么？你就根本想不出一個形狀來。那么以此類推，萬物的總起源，必定是一個沒有形狀、顏色和聲音的東西。
這個最高級的起源也好，宇宙的規(guī)律、也就是“道”也好，必定是“無”。何晏說：「有之為有，恃'無’以生；事而為事，由無以成?！?/span>
你看這比希臘神話說的“混沌生了大地女神蓋亞”、希臘哲學家泰勒斯說的“水是萬物之源”是不是高級多了。如果萬物起源于水，那水又是從哪來的呢？事實上，現(xiàn)代科學認為宇宙包括了萬事萬物，而且宇宙的確有一個大爆炸式的起源：既然大爆炸之前什么都沒有，宇宙的起源就的確只能是“無”。
但是你還可以接著問一個問題：“無”，是怎么生出“有”來的呢？它為什么不一直保持“沒有”的狀態(tài)呢？
古代哲學家不可能想明白。這就得指望量子力學了。
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在所有的學說中，量子力學是唯一一個允許事情無緣無故就發(fā)生的理論。這個原子一直都好好的，為啥突然衰變了？沒有原因。無中生有對量子力學是個日常行為，量子力學認為真空都不是真正空的，隨時隨地都會冒出一對虛擬粒子、又互相湮滅掉……那從“無”中冒出一個宇宙來，似乎也不是不可能。
現(xiàn)在物理學家對宇宙到底是怎么起源的并沒有達成一致，理論模型很多但是證據(jù)不足。咱們挑兩個最著名的說法，它們都涉及到量子力學。
一個是史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的“無邊界建議（no-boundary proposal）”。1983 年，霍金和詹姆斯·哈特爾（James Hartle）提出，大爆炸并不需要一個“奇點”，宇宙的起源過程是像下面這個毽子的形狀 ——
要點是它有一個非常平滑的開始。霍金說宇宙開始之前，只有空間而沒有時間 —— 既然沒有時間，那也就談不上什么“之前”了，這才是真正的“無”。宇宙處于一個量子疊加態(tài)，它可以有各種各樣的歷史，可以用一個波函數(shù)描寫。然后突然之間，宇宙的波函數(shù)發(fā)生了坍縮，時間開始了。最初是虛的時間，后來變成了真正的時間，再后來才是暴漲，然后才演化出萬事萬物。
霍金說我們經(jīng)歷的只是宇宙眾多可能的歷史中的一個，甚至都不是可能性最大的一個。還有很多別的宇宙也無緣無故地起源了，不過它們大多數(shù)都會因為“爆”得不夠好而立即消失，宇宙?zhèn)兙秃孟衩芭菀粯硬粩嗟仄鹪床粩嗟叵?—— 而我們這個宇宙幸運地存活了下來。
這個理論的缺點是它保留了太多的可能的宇宙，讓人覺得是不是有點太貴了；優(yōu)點則是它去除了“宇宙之前”的問題，并且提供了無中生有的機制。這兩個特點都是量子力學給的。
霍金的模型在科普界比較流行，這是因為霍金善于寫暢銷書。其實在學術(shù)界，另一個模型可能更受歡迎。
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“暴漲”理論的創(chuàng)始人阿蘭·古斯（Alan Harvey Guth），早在 1981 年就提出了另一種無中生有的可能性。古斯的理論不需要對時間打什么主意，只要給一小塊真空區(qū)域，就有可能爆發(fā)出來一個新的宇宙。
量子力學認為真空并不是絕對“空”的。不確定性原理要求能量在哪里都不能絕對是零 —— 不然就成了確定的了。所以哪怕在真空之中，也會有一個小小的能量漲落，稱之為真空的“零點能”。這個零點能就是空間的最低能量。
古斯的提議是，同樣是出于某種量子力學效應(yīng)，某一處空間會非常偶然地得到一個比零點能略高一點的能量，大約相當于比如說原子走向了第二個能級的“激發(fā)態(tài)”。這件事本來是無害的，因為那個能量也很低，發(fā)生不了什么，這就相當于是一個“假真空”。
對空間中的這一點來說，假真空的能量相當于是所有可能性之中的一個局部的最低點，而真真空的能量是全局最低點，本來假真空也比較穩(wěn)定，不會變成真真空。但是因為量子隧道效應(yīng)，突然某一時刻，假真空就衰變到了真真空。結(jié)果宇宙起源了。
空間中的這一點因為假真空衰變而獲得了一點點多余的能量，這點能量提供了一個負壓力，而根據(jù)廣義相對論，這個負壓力變成了向外迸發(fā)的“反引力”，使得宇宙開始暴漲。暴漲是比“大爆炸”快得多的過程，相當于是空間各處同時發(fā)生大爆炸?？臻g拉開，引力提供了負的勢能，那么根據(jù)能量守恒，空間各處就會衰變出正能量，這就是物質(zhì)的起源。最早期的物質(zhì)主要是光子，后來有了夸克、電子，又有了質(zhì)子、中子……一直到今天的宇宙。
而這一切都起源于一次量子隧穿。按古斯這個說法，宇宙起源于真空中冒的一個泡。那你可能會說，我們今天的宇宙中大部分空間也是接近真空的啊，那萬一哪個地方再冒一個這樣的泡，再來一次暴漲，創(chuàng)生一個新的宇宙，把我們現(xiàn)在這個宇宙給毀了怎么辦？這個別擔心，真空衰變的概率是極低極低的，平均發(fā)生一次的間隔時間比我們這個宇宙的年齡大了很多很多倍 [2]。
所以古斯的理論說量子力學讓宇宙起源，量子力學還讓宇宙不容易起源……而你應(yīng)該為這兩個特點都表示感謝。那到底古斯說得對還是霍金說得對呢？現(xiàn)在沒有足夠的證據(jù)。不管宇宙是怎么起源的，最初的暴漲都留下了一個痕跡，未來對這個痕跡做更精確的觀測，也許就能找到宇宙起源的直接證據(jù)。這個痕跡就是“宇宙微波背景輻射”。
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微波背景輻射來自于宇宙最初的光，它給今天的宇宙各處提供了 2.7 K 的保底溫度，是宇宙留給天體物理學家的禮物 [3]。我們可以從背景輻射中看到很多有意思的東西，而其中最有意思的一點則是，為什么宇宙是如此均勻的？
其實你仰望星空也能看出來這一點。抬眼望去，各個方向的星星差不多一樣多，并不是所有的星星都集中在一個地方。這個現(xiàn)象是物理學家心中一個信仰，叫“宇宙學原則（Cosmological principle）”：在大尺度下，宇宙是均勻和各向同性的，哪里都不特殊 [4]。
其實就從這個“不特殊”，哪怕沒有其他證據(jù)，我們就已經(jīng)可以猜到宇宙應(yīng)該有一個起源了。不然的話宇宙這么大，各個地方距離這么遠，它們是怎么互通信息協(xié)調(diào)的，才能表現(xiàn)得如此相似的呢？這就如同社會上有一群人，雖然分布在世界各地，想法和做法卻非常相似，那你有理由懷疑它們是同一個大學畢業(yè)的。宇宙的均勻說明宇宙中的物質(zhì)以前是聚集在一起的。
宇宙起源學說，特別是暴漲理論，能解釋宇宙的均勻性。但是從另一方面來說，宇宙要是太均勻了也不行。如果宇宙是絕對均勻的，那些基本粒子就會均勻地分布在空間各處，對吧？可是這樣一來又怎么能形成那么多恒星呢？恒星是物質(zhì)聚集的產(chǎn)物，而且根據(jù)恒星的壽命，它們必須在很早的時候就聚集了那么多物質(zhì)。之所以這里有物質(zhì)而那里沒有，恰恰說明宇宙不是絕對均勻的。
于是我們的問題又變成了宇宙為什么不是絕對均勻。我們設(shè)想，如果宇宙是無中生有于一個特別特別小的點，那單純從對稱性的角度，它的演化似乎應(yīng)該是絕對均勻的才對 —— 畢竟沒有哪個地方有理由跟別的地方不一樣。那這個不均勻，又是從哪來的呢？
答案還是量子力學。因為量子力學有不確定性，早期宇宙中所有的量子場都會有一些小小的波動漲落，正是那些小漲落造成了宇宙的不均勻！
一直到今天我們都可以從微波背景輻射中看見早期宇宙漲落的信息。背景輻射中顯示宇宙早期溫度比較低的地方，對應(yīng)的引力場比較強，更容易聚集到物質(zhì)，并且在后來的演化中形成恒星、星系乃至于星系團；而溫度比較高的地方，現(xiàn)在就更容易是空曠的區(qū)域。
微波背景輻射中的高溫和低溫相差多少呢？差不多是十萬分之一。量子力學這個尺度拿捏得正好：漲落再大一點，也許宇宙就太不均勻了，很多物質(zhì)會聚集在一起，搞不好宇宙演化都受影響；漲落再小一點，宇宙中就不會有日月星辰。
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量子力學既讓宇宙起源于“無”，又讓那個“無”能生“有”；讓宇宙既能起源，又不會太容易起源；讓宇宙既是非常均勻的，又不是完全均勻的。如果不是量子力學，我們真不知道還有什么機制能提供這么好的設(shè)定。
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｜劃重點
注釋
[1] 原話是 “To encounter the quantum is to feel like an explorer from a faraway land who has come for the first time upon an automobile. It is obviously meant for use, and important use, but what use?”
[2] M. Tegmark; N. Bostrom (2005). 'Is a doomsday catastrophe likely?' Nature. 438 (5875).
[3] 《給忙碌者的天體物理學》1：幸運是這個宇宙的通行證
[4] 參見《不特殊論者》。但是這個信念最近似乎受到了挑戰(zhàn)：《一個常數(shù)的謎團》。
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