第17章 无中生有

物理学中，因果律决定了事件发生的顺序，但是在量子力学中，物体的行为本身是不可预测的，一些量子过程也完全事出无因。以放射性原子为例，它具有衰变的可能性，这种特性不随时间的变化而变化，就是说它最终会衰变，但是并没有什么原因能导致它在特定时刻衰变。宇宙的成核也是这样一个不需要原因的量子过程。

我们所认知的大部分概念都基于空间与时间，所以要靠想象创造一个无中生有的宇宙并不容易。我们无法想象自己坐在一片虚无之中，等待着宇宙变为现实，因为没有空间可以让你“坐”，也没有时间可以来“等待”。

在最近提出的一些基于弦论的模型中，我们的宇宙是一个漂浮于高维空间中的三维膜。在这一模型中，我们可以想象一个高维的观测者看着一个个小小的宇宙泡——即“膜宇宙”四处冒出来，就像蒸汽气泡从沸水中冒出来一样。我们生活在其中一个泡泡上，它是一个正在膨胀的三维球面膜。对于我们来说，这个膜是唯一的空间，我们既不能摆脱它，也无法想象它之外的维度。当我们回溯这个宇宙泡的历史时，我们最多只能到达它成核的时刻，在那之前，我们的空间和时间都消失了。

从这一图景出发，很容易就能得到我最初提出的理论。直接移除更高维的空间，从我们的内部角度看来，这一操作不会改变任何事。我们生活在一个闭合的三维空间内，但是这个空间并不漂浮在任何地方。当我们回溯过去，会发现我们的宇宙有个开端，在开端之前，时空并不存在。

用所谓的“欧几里得时间”，可以得到关于量子隧穿的优雅的数学描述。这与你用手表测量的时间不同，它使用这样的虚数表示，引入这个量仅仅是为了方便计算。将时间欧几里得化会对时空特性产生一个特殊的影响，使得时间与三维空间的区别完全消失，“时空”将被一个四维空间所取代。如果我们生活在欧几里得时间中，我们可以像丈量长度那样，用尺子丈量时间。虽然这看上去相当古怪，但是时间的欧几里得化表述非常有用，它为确定宇宙刚刚出现时的隧穿概率和宇宙初始状态提供了一个便捷的方法。

宇宙的诞生可以用图17.2中的时空关系图来描述。底部的深色半球代表量子隧穿（在这部分时空中时间被欧几里得化），它上面的浅色部分代表暴胀宇宙的时空，两个时空区域的交界就是成核时的宇宙。

图17.2 该时空关系图表示宇宙从“一无所有”开始隧穿的过程

这种时空的一个显着特征就是它不具有奇异性。弗里德曼时空在起点处有一个曲率无限大的奇点，爱因斯坦场方程的数学推演在此失效，如图17.1左侧底部的尖端所示。与此相对，欧几里得时空的球状区域内就不存在这样的点，它在每一处都具有相同的有限曲率。这是第一次对宇宙诞生进行的数学上一致的描述。而图17.2中，那个看起来像羽毛球的时空关系图，现在已经成为塔夫茨宇宙学研究所的标志。

我将以上这些想法写成了一篇标题为《无中生有的宇宙》的短文。在将其提交给一本期刊之前，我拜访了普林斯顿大学的马尔科姆·佩里（Malcolm Perry），并与他讨论了这些想法。佩里是量子引力理论方面的着名专家。在黑板前演算了一个小时后，他说：“好吧，这也许不算太疯狂……但是我自己怎么没有想到这些？”这简直是从物理学同行那里能得到的最棒的赞美了！

量子涨落的宇宙

我的无中生有宇宙模型并不是无中生有的，它建立在一些前辈的研究基础上。第一个此类提议来自纽约大学亨特学院的爱德华·特赖恩（Edward Tryon），他提出了量子涨落让宇宙从真空中诞生的想法。

在1970年的一次物理研讨会上，他第一次产生了这个想法。特赖恩说，这个想法像一道闪电击中了他，好像是有人突然向他泄露了一些天机。当主讲人中断演讲来听取他的想法时，他脱口而出：“宇宙可能是一个真空涨落！”顿时全场哄堂大笑。正如我们前面所讨论的，真空绝对不是沉闷的或者静止不变的，它每时每刻都充满了复杂的活动。在无法预知的量子冲击的作用下，电场、磁场或者其他的场在亚原子尺度上持续涨落。时空的几何结构同样也在涨落，这导致了在普朗克尺度上疯狂地出现时空泡沫。此外，空间中充满了所谓的虚粒子，这些粒子会从各处自发出现，并立即消失。虚粒子寿命非常短，因为它们依靠借来的能量存活。有借就有还，根据海森堡不确定性原理，从真空中借的能量越多，归还的速度就越快。虚电子和虚正电子一般会在万亿分之一纳秒左右消失，而更重的粒子则会在更短的时间内消失，因为它们需要更多的能量。特赖恩认为，我们的整个宇宙，以及其中包括的大量物质，就是一个巨大的量子涨落，但是不知道为什么100亿年来都没有消失。大家都觉得这是一个非常滑稽的笑话。

但是特赖恩并不是在开玩笑，同事们的反应令他备受打击，以至于忘记了这个想法，并压制了对这整件事的记忆。但是这一想法一直在他内心深处持续酝酿，并在三年后重新浮现。这一次，特赖恩决定将它发表出来。他的论文于1973年发表在英国科学期刊《自然》上，标题为《宇宙是一个真空涨落吗？》。

特赖恩的理论基于一个众所周知的数学事