第17章 无中生有

宇宙隧穿理论”和“宇宙无边理论”最重要的区别在于，它们对于概率的预测大相径庭，在某些方面甚至是相反的。隧穿理论认为具有最高真空能量和最小尺寸的宇宙最有可能成核，而与之相比，无边理论认为宇宙的起点极有可能真空能量最小而尺寸最大，最有可能在一片空寂中突然出现的，是一个无限大的、空旷的、平直的空间，这令人难以置信！

在经历了最初的一些混乱之后，这两者之间的冲突在最初的一些混乱之后就变得愈发明显。我1982年的论文的结论是，越大的宇宙成核的概率也越大，这样一来，两个方案看起来是一致的。但由于这个结论严重违反直觉，因此我不断重复计算，并终于在1984年发现了一处错误，得出了相反的结论。在霍金访问哈佛大学时，我跑去和他分享我的新发现，但他不以为然，却认为我原先的结论是正确的。霍金是一位极具传奇性的人物，其知名度远超物理学家圈子。我钦佩他的学术成就，也钦佩他的精神，因此特别珍视这次与他交谈的机会。他与人交流不太方便，所以人们往往不愿意接近他，但是一段时间之后，我才意识到他其实是喜欢与人交流的，甚至不介意开开玩笑。我们在永恒暴胀和量子宇宙学的问题上意见相左，但这使得讨论更加有趣了。

1988年，我在剑桥大学向霍金的研究组做了一次报告，强调我的方案的各种优点，简直称得上是在他家门口挑衅了。在这次报告之后，霍金坐着轮椅向我走来，我本以为会有一些严苛的批评，他却邀请我共进晚餐。在享用了霍金母亲做的土豆鸭和梅子派之后，我们讨论了利用时空之间的隧道捷径——即虫洞——进行星际旅行的问题，这就是物理学家们的餐后闲聊了。至于宇宙无边理论，史蒂芬并没有改变他的想法。

这两种理论之间的争论一直在继续。在加州蒙特雷召开的COSMO–98会议上，我们甚至进行了一场“官方”辩论，霍金为无边理论辩护，而我和安德烈·林德支持隧穿理论。但这其实称不上一场辩论，因为霍金用他的语音合成器组成句子要花很长时间，所以我们并没有在预先准备好的陈述之外取得多大进展。

图17.6 与霍金探讨量子宇宙学。从左到右：作者、英属哥伦比亚大学的比尔·昂鲁，以及在护士的帮助下喝茶的史蒂芬·霍金。照片由安娜·齐特科拍摄

如果我们设计一些观测实验来区分这两种理论，也许就能解决这个争端。然而，这种尝试似乎不太可能实现，原因正是永恒暴胀。量子宇宙学能预测宇宙的初始状态，但是在永恒暴胀的过程中，初始状态的任何影响都会被完全抹去。以我们在前文中所讨论的弦论的景观为例，我们可以从任意一个暴胀真空开始，但是不可避免地会有其他真空的宇宙泡形成，并将遍历整个函数。因此最终生成的多元宇宙的性质将无关乎暴胀是如何开始的。因此，量子宇宙学不会成为一门观测的科学，不同理论方法之间的争端只可能通过理论上的考量来解决，而非观测数据。比如，宇宙的量子态就可能通过一些全新的、尚未被发现的弦论原理来决定，当然，这可能与现今的任何一种理论都不同。这个问题不可能很快就得到解决。

请参见A. Vilenkin, “Creation of universes from nothing”, Physics Letters, vol. 117B, p.25 (1982)。后来我了解到，苏联国立莫斯科大学的列昂尼德·格里丘克和雅科夫·泽尔多维奇已于一年前讨论了宇宙从无到有自发成核的可能性，然而他们并没有为这一成核过程提供任何数学描述。

故事来自1985年10月我在纽约访问爱德华·特赖恩时与他的对话。

大约在同一时期，乌克兰基辅理论物理研究所的彼得·福明提出了一个与特赖恩非常相似的想法。事实上，特赖恩并没有清楚阐明如图17.3中所示的步骤顺序，这一系列步骤首次出现在福明的论文中。但不幸的是，福明找不到任何一家愿意发表他的论文的期刊，这项研究最终于1975年发表在一本不知名的乌克兰物理学期刊上。

请参见E. P. Tryon, “Is the universe a vacuum fluctuation?”, Nature, vol. 246, p.396 (1973)。

在20世纪70年代末与80年代初，有人试图发展量子从真空中产生的数学模型。1978年，布鲁塞尔大学的罗伯特·布鲁、弗朗索瓦·恩格勒和埃德加·冈齐格提出，质量为质子质量1020倍的超重粒子可以在真空中自发产生，这种粒子会使空间弯曲，而增长的空间曲率又会进一步引发粒子生成。像一个膨胀的气泡那样，这一过程将扩展到越来越大的区域。在宇宙泡内部，重粒子将迅速衰变为轻粒子与辐射，形成一个充满物质的膨胀的宇宙。这个模型与特赖恩的理论具有同样的问题：它们都没有真正解释宇宙的起源。如果空无一物的平直空间这么不稳定，那么它将迅速地被膨胀的宇宙泡填满。这样一个不稳定的空间不可能永远存在，也因此不能作为创世的起点。

1982年，洛克菲勒大学的戴维·阿特卡茨（David Atkatz）和海因茨·帕格尔斯