众多的宇宙来自“真空涨落”吗？
2020-08-31
早在三百多年前，德国数学家戈特弗里德·莱布尼茨（Gottfried Leibniz）就曾向众多的宇宙发问，“Why is there something rather than nothing?”这个令科学家和哲学家困扰不已的问题在1973年末于有了一个谜底：是真空（nothing）的量子涨落催生了本日的宇宙（something）！换句话说，“无中生有”大概是宇宙的真正发源，是宇宙大爆炸理论和暴胀理论的原始种子。
1973年12月，台甫鼎鼎的英国《自然》（Nature）杂志颁发了一篇两页纸的学术论文，题目是《宇宙是真空涨落的产品吗？”》（Is the Universe a vacuum fluctuation?），作者是名不见经传的美国纽约市立大学亨特学院的年青西席爱德华·特莱恩（Edward Tryon）。听说特莱恩在写出这篇立意斗胆的理论文章之后，先将它投给了美国物理学会主办的《物理评论快报》（Physical Review Letters），但很快遭到拒稿。时年33岁的特莱恩并没有气馁，转而改投名气更大的《自然》期刊，但愿本身的论文能以“读者来信”（a letter to the editor）的形式颁发。功效出乎他本人的预料，《自然》编辑部不只很快接管了这篇论文，并且以“专题文章”（feature article）的形式正式刊出。
特莱恩在论文中指出，我们的众多宇宙发源于看似一无所有的真空的量子涨落。热力学第必然律汇报我们，能量是守恒的，既不能被缔造也不能被没落。因此“无中生有”意味着宇宙来自“零”能量的虚空，这样才不会粉碎能量守恒定律。特莱恩从德裔美国物理学家彼得·伯格曼（Peter Bergmann）哪里得知，如果物质的质量所对应的正能量与引力势所对应的负能量刚好相相互消，那么宇宙就会处在净能量便是零的真空状态。其实这一概念早在1934年就被美国物理学家理查德·托尔曼（Richard Tolman）在他的《相对论、热力学与宇宙学》（Relativity, Thermodynamics and Cosmology）一书中提出。量子力学的奠定人之一帕斯夸尔·约丹（Pascual Jordan）当年为了表明恒星大概发源于“一无所有”这一物理图像，也假设了恒星的质量所对应的正能量刚好与它的引力势所对应的负能量巨细相等、相消为零。
假定宇宙的起点是真空之后，特莱恩下一步要做的工作就是描写真空的量子涨落何故生成本日的宇宙。他借助的东西无外乎量子力学和量子场论，因为后者汇报我们：真空并不空，而是一个热闹不凡的处所——粒子与反粒子对在一按时间段内通过从真空借取能量而不绝地无中生有， 二硫化钼，外貌上粉碎能量守恒定律但其实遵循海森堡的测禁绝道理。这些从真空发生出来的“虚”粒子带有与普通粒子沟通的量子数，可是它们的能量与动量干系却差异寻常。特莱恩设想，个体或少量“虚”粒子有大概“实在”化，并最终演酿成广袤无垠的宇宙。
但特莱恩无法说清楚真空涨落所发生的微观“虚”粒子世界详细是以何种方法从极小标准演酿成了本日极大标准的宏观宇宙的。他的理论缺乏数学支撑，主要靠意料和思辨，因此无执法人信服，至少在其时的科学界险些没有受到任何存眷。
而他关于宇宙中应该含有等量的物质和反物质的预言，本日看来也是错误的，因为我们在可视察宇宙中并没有发明原初反物质存在的迹象。听说特莱恩在1970年前后，即在他颁发本身的那篇经典论文之前，纳米氮化硼，曾经在哥伦比亚大学进行的一场学术陈诉会上溘然向演讲者发问：“或者宇宙就是一种真空涨落？”（Maybe the Universe is a vacuum fluctuation?），在场的人都笑了，都觉得他在恶作剧。处于拮据之中的特莱恩并没有就地表明本身的想法，而是几年后通过论文表达了他对宇宙发源的新看法。也许可以说，其时他的思想太超前了。
1981年1月，美国物理学会主办的《物理评论D》（Physical Review D）期刊颁发了一篇题为《暴胀的宇宙：关于视界僻静坦性问题的一个大概的办理方案》（Inflationary Universe: A possible solution to the horizon and flatness problems）的论文，作者是年青的理论物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）。这篇迄今为止已被引用6700余次的文章成为大爆炸宇宙学成长史上的里程碑，因为它较量令人信服地答复了特莱恩的论文当年无法答复的问题：也许是某种形式的暗能量，好比真空能（vacuum energy），以迅雷不及掩耳之势驱动了宇宙的瞬间暴胀，从而使得通过真空涨落而生成的微观“虚”粒子世界得以瞬间膨胀到宏观宇宙的局限。1997年，已经成为宇宙学大家级人物的古斯在本身的新书《暴胀的宇宙：摸索宇宙发源的新理论》（The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origin）中对特莱恩的原创性思想给以了承认，“据我所知，第一个以科学的语言描写宇宙发生于一无所有的严肃发起是爱德华·特莱恩在1973年的论文中提出来的。”（To my knowledge, the first serious suggestion that the creation of the Universe from nothing could be described in scientific terms was the 1973 paper by Edward Tryon）。
正如1988年度的诺贝尔物理学奖得主利昂·莱德曼（Leon Lederman）在1993年追问的那样：假如宇宙是谜底，那么什么是问题？（If the Universe is the answer, what is the question?）毫无疑问，宇宙的发源就是问题。而宇宙大概发源于真空的量子涨落，则大概是这一根基问题的正确谜底。
（作者：邢志忠，中国科学院高能物理研究所研究员）
1973年12月，台甫鼎鼎的英国《自然》（Nature）杂志颁发了一篇两页纸的学术论文，题目是《宇宙是真空涨落的产品吗？”》（Is the Universe a vacuum fluctuation?），作者是名不见经传的美国纽约市立大学亨特学院的年青西席爱德华·特莱恩（Edward Tryon）。听说特莱恩在写出这篇立意斗胆的理论文章之后，先将它投给了美国物理学会主办的《物理评论快报》（Physical Review Letters），但很快遭到拒稿。时年33岁的特莱恩并没有气馁，转而改投名气更大的《自然》期刊，但愿本身的论文能以“读者来信”（a letter to the editor）的形式颁发。功效出乎他本人的预料，《自然》编辑部不只很快接管了这篇论文，并且以“专题文章”（feature article）的形式正式刊出。
特莱恩在论文中指出，我们的众多宇宙发源于看似一无所有的真空的量子涨落。热力学第必然律汇报我们，能量是守恒的，既不能被缔造也不能被没落。因此“无中生有”意味着宇宙来自“零”能量的虚空，这样才不会粉碎能量守恒定律。特莱恩从德裔美国物理学家彼得·伯格曼（Peter Bergmann）哪里得知，如果物质的质量所对应的正能量与引力势所对应的负能量刚好相相互消，那么宇宙就会处在净能量便是零的真空状态。其实这一概念早在1934年就被美国物理学家理查德·托尔曼（Richard Tolman）在他的《相对论、热力学与宇宙学》（Relativity, Thermodynamics and Cosmology）一书中提出。量子力学的奠定人之一帕斯夸尔·约丹（Pascual Jordan）当年为了表明恒星大概发源于“一无所有”这一物理图像，也假设了恒星的质量所对应的正能量刚好与它的引力势所对应的负能量巨细相等、相消为零。
假定宇宙的起点是真空之后，特莱恩下一步要做的工作就是描写真空的量子涨落何故生成本日的宇宙。他借助的东西无外乎量子力学和量子场论，因为后者汇报我们：真空并不空，而是一个热闹不凡的处所——粒子与反粒子对在一按时间段内通过从真空借取能量而不绝地无中生有， 二硫化钼，外貌上粉碎能量守恒定律但其实遵循海森堡的测禁绝道理。这些从真空发生出来的“虚”粒子带有与普通粒子沟通的量子数，可是它们的能量与动量干系却差异寻常。特莱恩设想，个体或少量“虚”粒子有大概“实在”化，并最终演酿成广袤无垠的宇宙。
但特莱恩无法说清楚真空涨落所发生的微观“虚”粒子世界详细是以何种方法从极小标准演酿成了本日极大标准的宏观宇宙的。他的理论缺乏数学支撑，主要靠意料和思辨，因此无执法人信服，至少在其时的科学界险些没有受到任何存眷。
而他关于宇宙中应该含有等量的物质和反物质的预言，本日看来也是错误的，因为我们在可视察宇宙中并没有发明原初反物质存在的迹象。听说特莱恩在1970年前后，即在他颁发本身的那篇经典论文之前，纳米氮化硼，曾经在哥伦比亚大学进行的一场学术陈诉会上溘然向演讲者发问：“或者宇宙就是一种真空涨落？”（Maybe the Universe is a vacuum fluctuation?），在场的人都笑了，都觉得他在恶作剧。处于拮据之中的特莱恩并没有就地表明本身的想法，而是几年后通过论文表达了他对宇宙发源的新看法。也许可以说，其时他的思想太超前了。
1981年1月，美国物理学会主办的《物理评论D》（Physical Review D）期刊颁发了一篇题为《暴胀的宇宙：关于视界僻静坦性问题的一个大概的办理方案》（Inflationary Universe: A possible solution to the horizon and flatness problems）的论文，作者是年青的理论物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）。这篇迄今为止已被引用6700余次的文章成为大爆炸宇宙学成长史上的里程碑，因为它较量令人信服地答复了特莱恩的论文当年无法答复的问题：也许是某种形式的暗能量，好比真空能（vacuum energy），以迅雷不及掩耳之势驱动了宇宙的瞬间暴胀，从而使得通过真空涨落而生成的微观“虚”粒子世界得以瞬间膨胀到宏观宇宙的局限。1997年，已经成为宇宙学大家级人物的古斯在本身的新书《暴胀的宇宙：摸索宇宙发源的新理论》（The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origin）中对特莱恩的原创性思想给以了承认，“据我所知，第一个以科学的语言描写宇宙发生于一无所有的严肃发起是爱德华·特莱恩在1973年的论文中提出来的。”（To my knowledge, the first serious suggestion that the creation of the Universe from nothing could be described in scientific terms was the 1973 paper by Edward Tryon）。
正如1988年度的诺贝尔物理学奖得主利昂·莱德曼（Leon Lederman）在1993年追问的那样：假如宇宙是谜底，那么什么是问题？（If the Universe is the answer, what is the question?）毫无疑问，宇宙的发源就是问题。而宇宙大概发源于真空的量子涨落，则大概是这一根基问题的正确谜底。
（作者：邢志忠，中国科学院高能物理研究所研究员）