都說(shuō)宇宙起源于宇宙大爆炸但為什么“真空”中能憑空冒出各種粒子

想象一下，你手中有一片宇宙中最完美的真空。你抽走了每一顆原子，屏蔽了每一絲光線，它空無(wú)一物，達(dá)到了近乎絕對(duì)的“無(wú)”。按照我們經(jīng)典世界里的直覺(jué)，這里應(yīng)該萬(wàn)籟俱寂、永恒不變。然而，在量子世界中，這片真空卻是“沸騰”的海洋，它并不“空”，而是充滿(mǎn)了量子漲落，甚至可以從中產(chǎn)生真正的粒子。這雖然聽(tīng)起來(lái)像是魔法，但卻是現(xiàn)代物理學(xué)里一個(gè)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格推導(dǎo)的重要預(yù)言——也就是所謂的宇宙學(xué)粒子產(chǎn)生現(xiàn)象。

最早在1970年，物理學(xué)家 L. Parker就對(duì)此開(kāi)展了奠基性研究。要想理解這個(gè)現(xiàn)象，我們得靠量子理論和廣義相對(duì)論這兩大現(xiàn)代物理的支柱來(lái)解答。

“不空”的真空：量子場(chǎng)與漲落

一提到“真空”，我們常會(huì)聯(lián)想到絕對(duì)的虛無(wú)。然而，在物理學(xué)中，真空遠(yuǎn)非一無(wú)所有。

量子場(chǎng)論告訴我們，真空實(shí)際上是所有量子場(chǎng)的“基態(tài)”——你可以把它想象成一個(gè)能量最低的可能狀態(tài)。但微觀世界的規(guī)則與日常經(jīng)驗(yàn)不同，海森堡不確定性原理指出，我們無(wú)法同時(shí)確定一個(gè)粒子的能量和存在時(shí)間。這種不確定性就會(huì)導(dǎo)致真空中不斷發(fā)生著能量的短暫漲落。

正是這些漲落，使得真空中會(huì)瞬間涌現(xiàn)出粒子-反粒子對(duì)（例如電子與正電子），它們迅速相遇并相互湮滅，歸還“借用”的能量。這些短暫存在的粒子被稱(chēng)為“虛粒子”，它們并非幻覺(jué)。在量子電動(dòng)力學(xué)中，科學(xué)家就準(zhǔn)確描述了真空中如何不斷產(chǎn)生和湮滅虛電子-正電子對(duì)以及光子的過(guò)程。

不過(guò)要注意，虛粒子與我們?nèi)粘Ｋf(shuō)的實(shí)粒子（如原子、分子等）有本質(zhì)區(qū)別。虛粒子更像是一種數(shù)學(xué)描述，代表著量子場(chǎng)的傳播，無(wú)法被直接觀測(cè)。但正是這種無(wú)處不在的量子漲落，揭示出真空實(shí)際上蘊(yùn)藏著巨大的潛能——它是一片看似空無(wú)、卻不斷沸騰著的“量子泡沫”。

那么問(wèn)題來(lái)了，這些虛粒子有可能轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的粒子嗎？答案是肯定的，而其關(guān)鍵在于時(shí)空本身的結(jié)構(gòu)。

動(dòng)態(tài)的時(shí)空：廣義相對(duì)論的角色

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論徹底改變了我們對(duì)引力的理解：引力不再是傳統(tǒng)意義上的“力”，而是時(shí)空彎曲的幾何效應(yīng)。

我們可以把時(shí)空想象成一張巨大的彈性膜，天體放在膜上就會(huì)使其周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生彎曲，進(jìn)而影響其他物體的運(yùn)動(dòng)。

更重要的是，時(shí)空本身并不是靜止的。宇宙學(xué)觀測(cè)證實(shí)：宇宙正在膨脹，時(shí)空結(jié)構(gòu)本身也在拉伸。這種膨脹不是物質(zhì)在某個(gè)固定空間中擴(kuò)散，而是空間尺度本身隨時(shí)間增大。除此之外，時(shí)空還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，形成所謂的引力波。

而粒子由“虛”向“實(shí)”轉(zhuǎn)變的秘密就在這里：當(dāng)時(shí)空處于動(dòng)態(tài)（比如膨脹），虛粒子轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)粒子就成為可能。

從無(wú)到有：實(shí)粒子如何從“虛無(wú)”中“誕生”？

在平坦且靜態(tài)的時(shí)空中，虛粒子對(duì)總是剛冒出來(lái)就快速湮滅，整體看來(lái)并沒(méi)有凈粒子產(chǎn)生。但如果時(shí)空本身在劇烈變化，比如宇宙快速膨脹，情況就完全不同了。

這是為什么呢？讓我們想象一下：當(dāng)一對(duì)虛粒子出現(xiàn)的瞬間，時(shí)空恰好急劇拉伸，那么這兩個(gè)粒子就有可能被迅速拉開(kāi)很遠(yuǎn)，以至于它們來(lái)不及相遇湮滅。隨著拉開(kāi)的距離越來(lái)越大，它們之間的相互作用變得微乎其微，最終“分道揚(yáng)鑣”。于是，能夠被觀測(cè)到的實(shí)粒子，便從真空中誕生了！

這看起來(lái)似乎違背了能量守恒定律？并非如此。能量守恒源于時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性（即物理規(guī)律不隨時(shí)間變化），但在膨脹的宇宙中，這一對(duì)稱(chēng)性并不成立。因此，時(shí)空膨脹本身提供了粒子產(chǎn)生所需的能量。

Parker所發(fā)現(xiàn)的這一機(jī)制，就被稱(chēng)為“宇宙學(xué)粒子產(chǎn)生”。它并不限于某種特定粒子，而是適用于所有量子場(chǎng)。這個(gè)現(xiàn)象在宇宙學(xué)中有著豐富的應(yīng)用。不過(guò)也有個(gè)特殊情況，在宇宙極早期的暴漲階段——一段指數(shù)式急劇膨脹的時(shí)期，量子場(chǎng)的真空卻有所不同。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可以定義一個(gè)特殊的真空態(tài)，稱(chēng)為Bunch-Davies真空。這個(gè)真空態(tài)在暴漲時(shí)期不發(fā)生粒子產(chǎn)生的現(xiàn)象，這是因?yàn)楸q時(shí)空的對(duì)稱(chēng)性比一般膨脹宇宙的更大，所以穩(wěn)定的真空態(tài)就可行了。在宇宙學(xué)中，Bunch-Davies真空態(tài)已成為研究早期宇宙量子過(guò)程的基石。

與此類(lèi)似的現(xiàn)象，還有霍金輻射：黑洞邊界處的強(qiáng)引力場(chǎng)也會(huì)導(dǎo)致粒子產(chǎn)生。

這些現(xiàn)象共同表明，在彎曲時(shí)空中，量子漲落能夠催生真實(shí)粒子，這是彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論的一個(gè)基本特征。在膨脹宇宙背景中，這可以通過(guò)一種數(shù)學(xué)上的變換——保辛變換(Bogoliubov變換)來(lái)描述宇宙學(xué)粒子產(chǎn)生現(xiàn)象，正因如此，物理學(xué)家Robert Wald認(rèn)為，在一般的彎曲時(shí)空中，“粒子”這一概念本身需要重新審慎定義。

量子力學(xué)的新挑戰(zhàn)：幺正性疑難

宇宙學(xué)粒子產(chǎn)生對(duì)量子力學(xué)的基礎(chǔ)提出了一個(gè)深刻問(wèn)題：幺正性。在傳統(tǒng)量子力學(xué)中，幺正性保證概率守恒和信息不丟失——系統(tǒng)的初始狀態(tài)與未來(lái)狀態(tài)之間總是存在確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

然而在宇宙膨脹過(guò)程中，量子場(chǎng)從“無(wú)粒子”的初始真空態(tài)，演化到“有實(shí)粒子”的末態(tài)，看上去像是憑空產(chǎn)生了信息，這顯然違背了幺正演化。這也一度讓該理論陷入爭(zhēng)議。

2015年，物理學(xué)家Ivan Agullo和Abhay Ashtekar通過(guò)巧妙的數(shù)學(xué)重構(gòu)解決了這一難題。他們指出，在動(dòng)態(tài)彎曲時(shí)空中，我們需要擴(kuò)展幺正性的傳統(tǒng)定義。只要采用更廣義的框架，整個(gè)演化過(guò)程仍然滿(mǎn)足信息守恒。2023年，物理學(xué)家Musfar Muhamed Kozhikkal和Arif Mohd通過(guò)幾何量子化方法構(gòu)造了廣義幺正意義下的態(tài)演化算符，進(jìn)一步確認(rèn)了彎曲時(shí)空中量子場(chǎng)論需要采用廣義幺正性。他們的工作不僅調(diào)和了粒子產(chǎn)生與量子力學(xué)之間的沖突，也推動(dòng)了彎曲時(shí)空量子場(chǎng)論的進(jìn)一步發(fā)展。我們現(xiàn)在可以放心地說(shuō)，宇宙學(xué)粒子產(chǎn)生是“廣義幺正”的。

重新理解“無(wú)”與“有”

從真空中虛粒子的瞬息漲落，到早期宇宙中星系形成的原初種子，再到黑洞邊緣的霍金輻射，這些現(xiàn)象共同描繪出一幅全新的物理圖景：真空遠(yuǎn)非虛無(wú)。它是量子場(chǎng)的最低能態(tài)，是一片看似空無(wú)、卻充滿(mǎn)潛力的原初之海。

而宇宙本身的動(dòng)態(tài)特性正為釋放這種潛能提供了鑰匙。正如Parker的開(kāi)創(chuàng)性工作所揭示的那樣，粒子可以從真空中誕生，時(shí)空結(jié)構(gòu)本身也參與并塑造了物質(zhì)的創(chuàng)生。

這不僅深刻改變了我們對(duì)“無(wú)”和“有”的理解，也將量子力學(xué)、廣義相對(duì)論和宇宙學(xué)更緊密地聯(lián)結(jié)在一起，繼續(xù)推動(dòng)著人類(lèi)對(duì)自然本質(zhì)的探索。

當(dāng)你下一次仰望星空，或許可以想象：我們眼前的璀璨星系、腳下的藍(lán)色地球，乃至我們自己，都起源于那片看似虛空、卻蘊(yùn)藏?zé)o限生機(jī)的量子之海。

出品：科普中國(guó)

作者：劉城伍（山東大學(xué)物理學(xué)院在讀理論物理博士）

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