為了了解宇宙，路上讀書給大家推薦一本書《極簡(jiǎn)宇宙史》。

上一期文章《對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的描述，還是中國(guó)古人的思考最深刻》（點(diǎn)擊藍(lán)字閱讀），帶領(lǐng)大家來(lái)一場(chǎng)太空旅行。幫助大家從宏觀上認(rèn)識(shí)宇宙，這一次，我們把目光轉(zhuǎn)向微觀的量子世界。

1. 遁入量子世界

在探索宇宙之前，我們先去微觀的量子世界探索一番。因?yàn)橹挥忻靼滓恍┝孔邮澜缰械囊?guī)則，我們才有機(jī)會(huì)理解宇宙到底是個(gè)什么東西。

量子力學(xué)就是描述微觀物理世界的物理理論。我們知道，世間萬(wàn)物都由分子或者原子構(gòu)成。

原子里面還可以再分，每一個(gè)原子都由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成，其中原子核占據(jù)了原子的絕大部分質(zhì)量。除了氫原子之外，其他原子核里都有帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子。就這樣，質(zhì)子挨著中子組成原子核，周圍再繞著電子，就成了世間萬(wàn)物的組成單位。

問(wèn)題是，為什么會(huì)這樣呢？既然電子并沒(méi)有緊緊地粘在原子核上，甚至連原子核也不是密不可分的整體，那它們是如何保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的呢？電子和原子核之間正負(fù)電荷互相吸引，這種吸引力叫做電磁力。

不過(guò)，假如你能無(wú)限縮小，縮到比原子還小，可能會(huì)對(duì)電磁力有更深刻的了解。在這個(gè)尺度，你不但能看到原子核和電子，還能看到許多閃閃發(fā)亮的小顆粒，它們活躍在兩個(gè)相互吸引的物體之間，把二者拉在一起。

這些小顆粒叫做虛光子，顧名思義，它們生于虛空，又很快消散在虛空之中，它們存在的唯一目的就是攜帶電磁力，充斥著虛光子的地方會(huì)形成一個(gè)電磁場(chǎng)。

這就是量子的世界。

你決定繼續(xù)進(jìn)原子核里面看看，這里有帶正電荷的質(zhì)子，它里面竟然還有三個(gè)長(zhǎng)得很像但又不完全一樣的粒子，它們叫“夸克”。你盯著夸克仔細(xì)地觀察一番，感覺(jué)它們似乎被一種奇怪的力束縛在一起。這是另一種量子場(chǎng)：強(qiáng)核力，而承載著這些力的量子被稱為膠子。

為了方便理解，大家可以把質(zhì)子想象成“牢房”，每個(gè)牢房里關(guān)著三個(gè)夸克“囚犯”，膠子就像是囚犯身上的“鐐銬”，把它們綁在一起。除了質(zhì)子之外，原子核里還有不帶電的中子，它們也像“牢房”，只不過(guò)里面關(guān)的夸克類型不同罷了。照這么看，原子核就像一個(gè)大監(jiān)獄，那誰(shuí)又來(lái)維持各個(gè)牢房之間的穩(wěn)定呢？答案就是承擔(dān)“監(jiān)獄守衛(wèi)”的介子，它和牢房?jī)?nèi)部的膠子一起，靠強(qiáng)核力穩(wěn)定著整個(gè)原子核。

既然有強(qiáng)核力，就有弱核力。強(qiáng)核力是夸克“監(jiān)獄”的巡邏守衛(wèi)，弱核力則是搞破壞的，這種力的攜帶者是W和Z玻色子，這兩種粒子會(huì)改變夸克的性質(zhì)，幫它們“越獄”。這樣一來(lái)，原子核就會(huì)瓦解，質(zhì)子和中子飛散開(kāi)來(lái)，直到再次穩(wěn)定，形成新的原子核。這個(gè)過(guò)程就是放射性元素的衰變。

這些作用力和粒子是如何塑造我們的宇宙呢？

2. 物質(zhì)與能量的循環(huán)

我們繼續(xù)量子世界之旅，這時(shí)，一個(gè)基本粒子出現(xiàn)在你身邊，像一個(gè)圓滾滾的籃球，在你前面不遠(yuǎn)處有個(gè)球筐。于是你撿起這個(gè)粒子，“嗖”地一下投籃，這個(gè)粒子在空中劃出一條弧線，技術(shù)不錯(cuò)，進(jìn)球了！

這個(gè)粒子到底是怎樣掉進(jìn)球筐的呢？大家肯定會(huì)說(shuō)，我眼看著它進(jìn)去的，就那樣進(jìn)的唄！然而無(wú)論你用怎樣精確的語(yǔ)言描述粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，都是不全面的。因?yàn)檎_答案應(yīng)該是，這個(gè)粒子會(huì)經(jīng)歷從你手里到球筐之間的所有可能路徑，包括繞世界一圈再進(jìn)球這種情況。

這就是量子世界的另一個(gè)奇特之處，粒子的自由運(yùn)動(dòng)有無(wú)限種可能。不過(guò)這些粒子非常害羞，只要你盯著它看，它就只會(huì)表現(xiàn)出一種固定的形態(tài)。你眼睛一移開(kāi)，它就又會(huì)回到那種無(wú)限可能的狀態(tài)。

也就是說(shuō)，如果你閉著眼睛把粒子投出去，在那一剎那，它就開(kāi)始迅速自我復(fù)制，它的身影會(huì)馬上充滿從你的手到球筐之間的所有時(shí)空。不難想象，在充滿各種粒子的宇宙中，從來(lái)沒(méi)有真正意義上的“真空”，在我們沒(méi)注意到的某個(gè)角落，大量的粒子不斷生成和湮滅，填塞著所有時(shí)空，直到被你注意到為止。

你在量子世界里繼續(xù)走著，發(fā)現(xiàn)周圍不僅會(huì)出現(xiàn)粒子，還會(huì)偶爾看到“憑空出現(xiàn)”的電子。它是從哪兒來(lái)的呢？答案是能量——愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程e=mc2，一些能量按照這個(gè)公式形成了有質(zhì)量的電子，可是電子帶的電荷又是哪兒來(lái)的呢？

其實(shí)，電子并不是單獨(dú)出現(xiàn)的，跟它同時(shí)出現(xiàn)的還有一個(gè)叫“反電子”的粒子，如果正反電子對(duì)相遇，就會(huì)“啪”地一聲撞在一起，消失不見(jiàn)，同時(shí)釋放出能量。

能量聚合形成物質(zhì)，物質(zhì)分為正反，正反物質(zhì)相遇就會(huì)湮滅——這就是能量-物質(zhì)循環(huán)的方式。在某個(gè)遙遠(yuǎn)的星球，或許存在一個(gè)由反物質(zhì)構(gòu)成的世界，上面生活著一個(gè)反物質(zhì)構(gòu)成的你，假如你有一天真的能見(jiàn)到這個(gè)“反你”，記住，千萬(wàn)別跟他握手，否則你們倆可能會(huì)瞬間化作一道光，永遠(yuǎn)消失。

3. 墻外有墻

假如我們穿越了宇宙，來(lái)到宇宙盡頭，你會(huì)遇到一堵無(wú)法穿越的墻，連光也不行，這堵墻叫“臨界最后散射面”。如果你很好奇它的后面是什么，咱們還要再來(lái)一起旅行，沿著時(shí)間往回走。

逆轉(zhuǎn)時(shí)光，你看到了恐龍滅絕，月球形成，地球形成，宇宙越來(lái)越小，那堵墻也變得越來(lái)越近。一轉(zhuǎn)眼，你已經(jīng)回到了一百三十七億年前，跟今天冰冷漆黑的宇宙不同，那時(shí)候的宇宙不黑也不冷，雖然這里連恒星都沒(méi)有，但整個(gè)宇宙各處閃著耀眼的光，它來(lái)自宇宙最初的原子——大部分是氫原子，以及小部分的氦原子。

然后，你又往前走了一億年，到達(dá)了可見(jiàn)宇宙初生的那一年。這時(shí)候，那堵墻更近了，離你只有一光分的距離，還不到現(xiàn)在地球和太陽(yáng)距離的八分之一。此時(shí)宇宙有三千攝氏度。

你繼續(xù)向前走，穿過(guò)了那堵連光都無(wú)法穿過(guò)的墻。不出所料，你眼前一片漆黑，因?yàn)橹車芰刻啵庠谶@里沒(méi)法前進(jìn)。不過(guò)你驚訝地發(fā)現(xiàn)，墻外面是一個(gè)至少有三十八萬(wàn)年之久的古老空間。在這里，原子核還沒(méi)來(lái)得及形成，氫原子和氦原子攜帶的電子還是自由的，在一個(gè)巨大的電磁場(chǎng)中，各種粒子來(lái)回碰撞，不停地相互轉(zhuǎn)換。此時(shí)，周圍的溫度是五千攝氏度。

從這里開(kāi)始，你又往前走了三十八萬(wàn)年，溫度已經(jīng)上升到了一千億攝氏度。你發(fā)現(xiàn)原子核，還有里面的質(zhì)子、中子全都土崩瓦解，強(qiáng)核力也失效了，大量的自由夸克在你的眼前飛舞，龐大而密集的能量就像是一鍋巨大的濃湯。

隨著你一秒一秒地走向時(shí)間的開(kāi)端，周圍的環(huán)境也在瘋狂地變化。在能量如此多的情況下，物質(zhì)、光和能量之間快速轉(zhuǎn)換，已經(jīng)幾乎沒(méi)有差別。整個(gè)世界都在搖晃，時(shí)空被引力扭曲得不成樣子。你跌跌撞撞地前行，最終到達(dá)了目的地——被物理學(xué)家稱為“時(shí)間與空間誕生的時(shí)刻”，這一刻只有一百萬(wàn)億億億分之一秒。

此時(shí)，我們今天的龐大宇宙全被壓縮在一個(gè)直徑十米的空間里，溫度已經(jīng)高達(dá)一千億億億攝氏度。在這里，沒(méi)有夸克，也沒(méi)有粒子，甚至連我們之前說(shuō)過(guò)的各種作用力場(chǎng)都沒(méi)有——它們都被統(tǒng)一成了一個(gè)量子場(chǎng)，叫做“大統(tǒng)一場(chǎng)”，唯獨(dú)引力位于這個(gè)場(chǎng)之外。這一刻就是我們熟悉的“大爆炸”，從這時(shí)候開(kāi)始，稠密的能量開(kāi)始轉(zhuǎn)化成粒子，最終形成如今的宇宙。

這就到頭了嗎？你試著又走了兩步，發(fā)現(xiàn)好像還能往前走?？墒?，隨著時(shí)間倒流，周圍突然冷卻下來(lái)，能量和物質(zhì)都不見(jiàn)了，殘存的能量構(gòu)成了一個(gè)你從未見(jiàn)過(guò)的量子場(chǎng)，充斥著從未見(jiàn)過(guò)的基本粒子。直徑十米的空間急劇收縮，最終成了一個(gè)只有質(zhì)子體積幾十億分之一的小點(diǎn)，這個(gè)你從未見(jiàn)過(guò)的量子場(chǎng)叫做“暴脹場(chǎng)”。

也就是說(shuō)，在一百萬(wàn)億億億分之一秒的時(shí)間里，宇宙從一個(gè)小點(diǎn)瞬間膨脹成一個(gè)直徑十米的灼熱球體，我們剛剛就反向經(jīng)歷了這個(gè)被稱為“宇宙暴脹”的過(guò)程。在這個(gè)已經(jīng)縮小成量子大小的宇宙中，你還想試著前行，可是發(fā)現(xiàn)已經(jīng)做不到了。這里沒(méi)有空間，沒(méi)有時(shí)間，一切規(guī)則都不適用，時(shí)空旅行已經(jīng)沒(méi)有意義了。

這里就是宇宙的真正開(kāi)端嗎？很可惜，并不是，眼前又出現(xiàn)了一堵新的墻。只不過(guò)，構(gòu)成這堵墻的并不是稠密的宇宙能量，也不是人類所知的任何物質(zhì)，而是現(xiàn)代科學(xué)的局限。

4. 量子漲落與黑洞

在穿越時(shí)間之后，有兩個(gè)問(wèn)題還沒(méi)解決。

首先，宇宙中會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生成對(duì)的粒子和反粒子，這些粒子對(duì)出現(xiàn)的地方和時(shí)間都有無(wú)限可能，這就是所謂的“量子漲落”。照這么說(shuō)，宇宙的任何一點(diǎn)都可能存在無(wú)窮大的能量。無(wú)窮大的能量意味著巨大的引力效應(yīng)，這還了得？那宇宙還不得塌了？

為了讓問(wèn)題更容易解釋，理論學(xué)家們干脆不考慮引力，順便把無(wú)窮大也去掉。這樣一來(lái)，計(jì)算就沒(méi)問(wèn)題了，也能自圓其說(shuō)了。

第一個(gè)問(wèn)題是解決了，但還有另一個(gè)問(wèn)題：我們都知道，現(xiàn)實(shí)世界中明明是有引力的，它怎么辦呢？在我們剛才討論量子場(chǎng)的時(shí)候，一直都在回避引力這個(gè)問(wèn)題，即使是在宇宙原初時(shí)的大統(tǒng)一場(chǎng)中，引力都被排除在外。為什么會(huì)這樣呢？答案是，引力沒(méi)辦法被量子化。

假設(shè)引力是一種量子場(chǎng)，那么它的基本粒子就是“引力子”，根據(jù)量子世界的規(guī)則，它可以在各處出現(xiàn)又消失，想想會(huì)發(fā)生什么？

首先，我們的時(shí)空會(huì)被彌散于各處的引力子分解成無(wú)數(shù)塊割裂的碎片，時(shí)空不再連續(xù)；其次，如果我們考慮到量子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，那我們生活的時(shí)空也會(huì)很隨機(jī)，上一秒鐘你還坐在家里看電視，下一秒中你可能在中世紀(jì)的歐洲做禮拜，再下一秒鐘你可能出現(xiàn)在東漢末年的戰(zhàn)場(chǎng)上……這不就亂套了？所以不行，我們只好把引力獨(dú)立出來(lái)。

既然微觀量子場(chǎng)論有道理，宏觀的廣義相對(duì)論也沒(méi)錯(cuò)，這兩個(gè)“看起來(lái)都對(duì)”的理論真的沒(méi)辦法統(tǒng)一起來(lái)嗎？直到人們發(fā)現(xiàn)了黑洞。

在廣義相對(duì)論的描述中，宇宙就像一張繃緊的橡皮薄膜，上面每一個(gè)有質(zhì)量的物體都會(huì)讓薄膜凹陷，凹陷得越厲害，引力就越大。

時(shí)空不會(huì)斷裂，而是會(huì)形成一個(gè)“深坑”，在很小的空間里聚集巨大的能量和質(zhì)量，這個(gè)“深坑”就是黑洞。黑洞的引力非常大，時(shí)空扭曲很嚴(yán)重，以至于連光都逃不出來(lái)。在這樣一個(gè)密度巨大的領(lǐng)域，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論失效了，我們不得不把頭轉(zhuǎn)向量子場(chǎng)論。

黑洞里面是什么樣呢？假如你不幸掉進(jìn)了黑洞，你的時(shí)間會(huì)靜止，你的身體會(huì)在巨大的引力作用下分解，直到每一個(gè)基本粒子都獲得自由，產(chǎn)生一個(gè)量子化的你。具有了量子的特征，你就可以憑空出現(xiàn)在任何一個(gè)地方，還會(huì)被轉(zhuǎn)化為能量流噴射出來(lái)。每噴射出一點(diǎn)能量，黑洞就會(huì)損失一點(diǎn)質(zhì)量，就這樣，一個(gè)黑洞會(huì)在漫長(zhǎng)的時(shí)間中，慢慢地變小、死亡，這就是所謂的“黑洞蒸發(fā)”。

我們剛剛說(shuō)的這個(gè)過(guò)程，還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證實(shí)。物理學(xué)家霍金也只是通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)了黑洞蒸發(fā)的存在，至于它到底對(duì)不對(duì)，可能要很久以后才知道了。

5. 多重宇宙與弦理論

科幻作品里面，經(jīng)常會(huì)有“平行宇宙”的情節(jié)。我們能看到的這個(gè)宇宙，會(huì)不會(huì)還有其他宇宙呢？

要回答這個(gè)問(wèn)題，咱們需要重新回到宇宙產(chǎn)生的那一刻，重新經(jīng)歷一遍宇宙暴脹的過(guò)程。在極短的時(shí)間內(nèi)，比質(zhì)點(diǎn)還小的宇宙膨脹到直徑十米的球體?？上攵?，膨脹的速度非常快，甚至比光速還快。

在暴脹場(chǎng)中，宇宙以超過(guò)光速的速度膨脹。在這樣的高速狀態(tài)下，連量子漲落都跟不上宇宙膨脹的速度，本應(yīng)不斷快速出現(xiàn)又消失的粒子被“凍結(jié)”在暴脹場(chǎng)中，導(dǎo)致原本均勻的宇宙空間變得坑坑洼洼。

科學(xué)家們觀測(cè)到了這種量子層面的差異，他們認(rèn)為，正是這種粒子的不均勻分布造成了物質(zhì)的聚合，產(chǎn)生了星系和我們生活的世界。

除此之外，科學(xué)家們還證實(shí)了暴脹場(chǎng)的存在。他們認(rèn)為，在宇宙產(chǎn)生后八十億年的時(shí)候，那會(huì)兒還沒(méi)有地球，暴脹場(chǎng)和它里面的粒子短暫蘇醒過(guò)，促成了宇宙的又一次膨脹，最終讓宇宙能像現(xiàn)在這樣永遠(yuǎn)膨脹下去。

在量子世界，有無(wú)限種可能，出現(xiàn)過(guò)一次的東西，就可能出現(xiàn)過(guò)無(wú)數(shù)次。

既然暴脹場(chǎng)具備量子場(chǎng)的特性，那么它的基本粒子就可以隨時(shí)隨地蘇醒，并產(chǎn)生局部空間的暴脹。這種暴脹的后果，就是再產(chǎn)生一個(gè)宇宙“氣泡”。再進(jìn)一步說(shuō)，根據(jù)量子理論，應(yīng)該有著無(wú)數(shù)個(gè)氣泡宇宙，甚至連我們生存的這個(gè)宇宙，都只是這些氣泡宇宙中的一個(gè)！這就是所謂的“多重宇宙”理論。

我們從宇宙、星系、星球，說(shuō)到了原子、分子還有其中更基本的粒子，所有的這些我們都能用肉眼觀察到，或者用儀器探測(cè)到。那么再小一點(diǎn)呢？比量子還小的是什么呢？

理論物理學(xué)家認(rèn)為，在比量子更小的尺度上，存在著特殊的兩種“弦”：一種開(kāi)放，就像鞋帶；另一種閉合，像系好的鞋帶。它們不停地振動(dòng)，開(kāi)放的弦產(chǎn)生虛光子形成電磁力，閉合的弦振動(dòng)產(chǎn)生引力，這就是大名鼎鼎的“弦理論”。

按照科學(xué)家的預(yù)測(cè)，弦只存在于十維空間里，我們這些三維生物根本無(wú)法理解十維空間，但它的確存在。既然弦的振動(dòng)產(chǎn)生了我們這個(gè)三維的世界，那另外七維的振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生其他的世界。物理學(xué)家認(rèn)為，這些世界之間并不存在明顯的界限。也許有一天，我們也能進(jìn)入一個(gè)更高維度的空間。

到這里，我們的宇宙之旅就告一段落了。探索宇宙一直是人類的夢(mèng)想，從古到今，我們對(duì)宇宙的了解也越來(lái)越深入。

伴隨著科技發(fā)展的，人們提出過(guò)無(wú)數(shù)的理論，又無(wú)數(shù)次被證實(shí)或者推翻，不論是牛頓力學(xué)、相對(duì)論，還是黑洞理論、弦理論。新的理論從枯燥的算式中不斷產(chǎn)生，而這些數(shù)字將帶我們走向未知的領(lǐng)域。在將來(lái)，關(guān)于宇宙的理論會(huì)越來(lái)越準(zhǔn)確，宇宙的面目也會(huì)越來(lái)越清晰。

編輯|涼山

排版|涼山

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