第17章 无中生有

无中生有是不可能的。

——卢克莱修

隧道尽头的暴胀

回到1982年，暴胀仍然是一个非常新的领域，充满了无人涉足的想法和极具挑战的难题，对于一名有抱负的年轻宇宙学家来说可谓是一座金矿。其中最耐人寻味，同时也可能是与宇宙现状关联性最小的问题，就是暴胀是如何开始的。因为暴胀宇宙会迅速“忘记”自己的初始状态，所以暴胀开始时的宇宙状态对之后发生的事情并没有太大影响。因此，如果你准备通过观测研究暴胀，你就不应该在暴胀是如何开始的这个问题上浪费时间。但是这个关于开端的困惑仍然存在，而且无法避免，也像磁铁一样吸引着我。

乍一看，这个问题相对简单。我们知道一小块充满伪真空的空间区域足以驱动暴胀，所以我只需要弄清楚，这样一个区域是如何在宇宙的早期状态中产生的。

当时的主流观点基于弗里德曼模型，即宇宙由一个曲率和物质密度无限大的奇异态膨胀而来。假设宇宙中充满了高能的伪真空，那么任何原始存在的物质都会被稀释，而真空能将最终占据主导地位。此时，真空的斥引力开始发挥作用，暴胀也随之开始了。

这个描述完全没有问题，但它没有解释为什么宇宙一开始会膨胀。暴胀模型的成果之一就是解释了宇宙的膨胀。然而，看起来我们需要在暴胀开始之前就让宇宙膨胀起来，因为在初始状态下，物质之间的吸引力要比真空的斥引力强得多，所以，如果初始阶段没有一个强烈的爆炸，宇宙就会直接坍缩，而暴胀将永远不会开始。

面对这一观点，我沉思了一会儿。这个逻辑非常简单直接，看起来没有别的出路。然后，突然间，我意识到除了坍缩之外，宇宙也许还可以做一些更有趣、更具戏剧性的事情……

假设我们有一个闭合的球状宇宙，其中充满了伪真空和一定量的普通物质。再假设这个宇宙暂时静止，既不膨胀也不收缩。宇宙的未来将取决于它的半径，如果半径小，物质将会被压缩到高密度状态，宇宙也将坍缩成一个点；而如果半径大，真空能将占据主导地位，宇宙则将膨胀。小半径与大半径的状态之间由能量势垒分隔开，除非给宇宙一个较大的膨胀速度，否则它无法跨越势垒。

我突然意识到的是，小型宇宙的坍缩无法避免，只是经典物理学得出的结论。在量子物理中，宇宙可以通过隧穿效应穿过能量势垒，出现在另一边，就像伽莫夫的放射性衰变理论中的核粒子那样。

这看起来像是一个简洁漂亮的解决方案。刚开始宇宙非常小，而且极有可能坍缩成一个奇点，但是存在很小的可能性使得宇宙不会坍缩，而是穿过势垒进入更大的半径，并开始暴胀（见图17.1）。因此，在更宏伟的宇宙图景中，会存在大量的失败宇宙，它们转瞬即逝，但是也有一些幸运的宇宙将渐渐长大。

我觉得我取得了一些进展，于是我继续思考。初始宇宙有尺寸下限吗？如果我们让宇宙越变越小，会发生什么呢？令我感到吃惊的是，我发现当宇宙初始尺寸趋近于零时，隧穿概率并没有随之消失。我还注意到，当我允许宇宙初始半径消失时，计算反而被大大简化了。这真是疯了！这就是说，我得到了一个数学模型，可以描述宇宙从零尺寸隧穿到一个有限半径并开始暴胀的过程。这是一个无中生有的过程！这样看来，初始宇宙并不是必需的。

图17.1 左边的时空关系图显示的是一个闭合的弗里德曼宇宙由一个奇点开始膨胀、达到最大半径后重新坍缩的过程。时间沿竖直方向增长，水平面上的圆圈代表不同时刻的宇宙快照。右边显示的是一个由真空能主导的宇宙，它收缩之后重新膨胀（德西特时空）。而左边的宇宙除了重新坍缩之外，还可以通过隧穿效应，穿过能量势垒进入更大的半径并开始膨胀。这样，宇宙的时空历史将包括图中两个时空的阴影部分

始于“无”的隧穿

宇宙从无到有的过程着实令人困惑。这里的“无”到底是什么意思呢？如果这个“无”能够隧穿进入别的区域，是什么导致了这个隧穿事件呢？这一过程中的能量又是如何守恒的？随着我的不断思考，这个想法似乎越来越有意义了。

隧穿之前的初始状态是一个没有半径的宇宙，也就是，根本没有宇宙。这是一种非常奇特的状态，没有物质，没有空间，也没有时间。只有当宇宙中发生一些事情的时候，时间才有意义。通常我们会用地球自转、地球绕太阳公转等一些周期性过程来度量时间，但是当空间和物质都不存在的时候，时间是不可能被定义的。

然而，这种“无”的状态并不能被定义为绝对的空无一物。隧穿效应由量子力学定律描述，因此“无”也应该服从这些定律。即便没有宇宙，物理学定律也是必然存在的，我将在第19章中对此做进一步讨论。

隧穿事件产生了一个尺寸有限的宇宙，它被一个伪真空填充，从虚无中突然冒出来，随后直接开始暴胀。新生宇宙的半径由真空能量密度决定，能量密度越高，半径越小。对于大统一真空来说，它的初始半径只有百万亿分之一厘米，但是由于暴胀，这个小小的宇宙将以惊人的速度增长，会在远小于1秒的时间内膨胀到远远大于我们可观测范围的尺度。

如果在宇宙爆发之前什么都没有，那么导致隧穿的原因是什么呢？值得注意的是，这个问题的答案是：不需要任何原因。在经典