第5章 暴胀的宇宙

动人的理由来说服大家相信它真的存在。幸运的是，古斯不需要发明任何魔法般的材料。主流的基本粒子理论已经提供了备选项：它被称为伪真空。

伪真空

“老伯伯，你能够利用‘没有’吗？”

“啊，不，孩子，没有只能制造出没有。”

——莎士比亚《李尔王》

真空就是空荡荡的空间。它通常被认为是“无”的同义词。因此，当爱因斯坦第一次提出真空能的概念时，人们对此感到非常奇怪。但是，由于过去30年粒子物理学的发展，物理学家对真空的看法发生了巨大的变化。对真空的研究仍在持续，我们了解得越多，它就越显得复杂和迷人。

根据现代基本粒子理论，真空是一种物理对象，它可以带有能量，并且可以处于各种不同的状态。在物理学术语中，这些状态被称为不同的真空（vacua，是英语中通常表示“真空”的词vacuum的复数形式）。基本粒子的种类、质量和相互作用都是由其所处的真空决定的。粒子与真空之间的关系类似于声波与传播声音的介质之间的关系，在不同材料中声波的种类及其传播速度也不同。

我们生活在能量最低的真空中，这就是所谓的“真真空”。物理学家对存在于这种真空中的粒子以及它们之间的作用力已经十分了解了。例如，强核力在原子核中束缚着质子和中子，电磁力在原子核周围的轨道上抓住电子，弱力负责与中微子（一种难以捉摸的轻粒子）相关的相互作用。顾名思义，这三种力的强度各不相同，电磁力的强度介于强核力和弱力两者之间。

其他真空中基本粒子的性质可能完全不同。我们不知道真空一共有多少种，但粒子物理学表明，除了我们所处的真真空之外，可能还有至少两种真空，这两种真空都具有更多的对称性，而粒子及其相互作用的种类则要少一些。第一种是所谓的弱电真空，在这种真空中，电磁相互作用和弱相互作用具有相同的强度，并且表现为同一种力的两个部分。这种真空中的电子的质量为零，和中微子没有区别。它们以光速横冲直撞，因此原子核无法抓住它们以形成稳定的原子。难怪我们不生活在这种真空中。

第二种是大统一真空，这里所有三种类型的粒子相互作用是统一的。在这种高度对称的状态下，中微子、电子和夸克（组成质子和中子的基本粒子）都是等价的。我们几乎可以肯定弱电真空的存在，但大统一真空似乎更多地只是一种推测。从理论上来说，这些认为大统一真空存在的理论看起来十分漂亮，但它们主要探讨能量极高时的情形，因此只有少数间接的观测证据支持这些理论。

弱电真空中的每一寸空间都蕴含着巨大的能量。根据爱因斯坦的质能方程换算，它同样有着巨大的质量，大约每立方厘米1 000亿亿吨，差不多是一个月球的质量。物理学家使用科学计数法来表示如此庞大的数字，1 000亿亿就是1后面跟着19个0，即弱电真空的密度是每立方厘米1019吨。而大统一真空的物质密度更高，约为弱电真空密度的1048倍。自不必提，从来没有哪个实验室合成出这样的真空——目前人类的技术水平离创造这样的能量水平还差得很远。

普通真空蕴含的能量远小于上述的数字。很长一段时间里，人们认为真真空含有的能量正好是零，但最近的观察表明，我们的真空具有一点点正能量，大约相当于每立方米中有3个氢原子的质量。我们将在第9章、第12章和第14章中阐述这个发现的重要意义。

高能真空之所以被称为“伪”真空，是因为它们不同于我们的真空，它们是不稳定的。经过一段短暂的时间，一般来说不到一秒，伪真空就会衰变，变成真真空，而它多余的能量会变为一团炽热的基本粒子火球。我们将在下一章中深入研究真空衰变过程的细节。

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如果真空有能量，根据爱因斯坦的理论，它也应该有张力。我们在第2章中讨论过，张力有斥引力的效果。在真空中，由于质量的原因，斥力比引力强3倍，因此总体表现为一种强大的斥力。爱因斯坦在他的静态宇宙模型中利用真空的这种反引力来平衡普通物质的引力。经计算他发现，当物质的质量密度是真空密度的两倍时，引力和斥力就达到了平衡。而古斯的计划与之截然不同：他不想要一个平衡的静态宇宙，他想让宇宙爆炸，所以，在他的理论中这种伪真空的斥引力并不会得到制衡，它将统治这个宇宙。

宇宙暴胀

如果在早期，宇宙的空间处于伪真空状态，会发生什么？如果那个时代的物质密度小于宇宙平衡所需的密度，那么真空的斥引力就会占上风。这将导致宇宙膨胀——即使它一开始并没有膨胀。

为了便于想象，我们可以假设宇宙是闭合的。接着，它就像一个气球一样膨胀起来，如图3.1所示。随着宇宙体积的增大，真真空中的物质逐渐被稀释，其密度也随之减小。但伪真空中所蕴含的物质密度是一个固定的常数，它始终保持不变。因此，真真空的物质密度很快就小得可以忽略不计，整个宇宙可以近似看成一片均匀膨胀的伪真空。

伪真空中的张力会抵消掉物质之间的引力，并促使宇宙膨胀。由于张力和伪真空密度都不随时间变化，其膨胀率也保持不变。膨胀率指的是宇宙在一定时间内（比如说一秒钟内）体积增长的百分比。它的含义与经济学中的通货膨