為了了解宇宙，路上讀書給大家推薦一本書《極簡宇宙史》。

上一期文章《對宇宙認識的描述，還是中國古人的思考最深刻》（點擊藍字閱讀），帶領大家來一場太空旅行。幫助大家從宏觀上認識宇宙，這一次，我們把目光轉向微觀的量子世界。

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。因為只有明白一些量子世界中的規(guī)則，我們才有機會理解宇宙到底是個什么東西。

量子力學就是描述微觀物理世界的物理理論。我們知道，世間萬物都由分子或者原子構成。

原子里面還可以再分，每一個原子都由帶正電的原子核和帶負電的電子構成，其中原子核占據了原子的絕大部分質量。除了氫原子之外，其他原子核里都有帶正電的質子和不帶電的中子。就這樣，質子挨著中子組成原子核，周圍再繞著電子，就成了世間萬物的組成單位。

問題是，為什么會這樣呢？既然電子并沒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構穩(wěn)定的呢？電子和原子核之間正負電荷互相吸引，這種吸引力叫做電磁力。

不過，假如你能無限縮小，縮到比原子還小，可能會對電磁力有更深刻的了解。在這個尺度，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形成一個電磁場。

這就是量子的世界。

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

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

既然有強核力，就有弱核力。強核力是夸克“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，這兩種粒子會改變夸克的性質，幫它們“越獄”。這樣一來，原子核就會瓦解，質子和中子飛散開來，直到再次穩(wěn)定，形成新的原子核。這個過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. 物質與能量的循環(huán)

我們繼續(xù)量子世界之旅，這時，一個基本粒子出現在你身邊，像一個圓滾滾的籃球，在你前面不遠處有個球筐。于是你撿起這個粒子，“嗖”地一下投籃，這個粒子在空中劃出一條弧線，技術不錯，進球了！

這個粒子到底是怎樣掉進球筐的呢？大家肯定會說，我眼看著它進去的，就那樣進的唄！然而無論你用怎樣精確的語言描述粒子的運動軌跡，都是不全面的。因為正確答案應該是，這個粒子會經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球這種情況。

這就是量子世界的另一個奇特之處，粒子的自由運動有無限種可能。不過這些粒子非常害羞，只要你盯著它看，它就只會表現出一種固定的形態(tài)。你眼睛一移開，它就又會回到那種無限可能的狀態(tài)。

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

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

其實，電子并不是單獨出現的，跟它同時出現的還有一個叫“反電子”的粒子，如果正反電子對相遇，就會“啪”地一聲撞在一起，消失不見，同時釋放出能量。

能量聚合形成物質，物質分為正反，正反物質相遇就會湮滅——這就是能量-物質循環(huán)的方式。在某個遙遠的星球，或許存在一個由反物質構成的世界，上面生活著一個反物質構成的你，假如你有一天真的能見到這個“反你”，記住，千萬別跟他握手，否則你們倆可能會瞬間化作一道光，永遠消失。

3. 墻外有墻

假如我們穿越了宇宙，來到宇宙盡頭，你會遇到一堵無法穿越的墻，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，咱們還要再來一起旅行，沿著時間往回走。

逆轉時光，你看到了恐龍滅絕，月球形成，地球形成，宇宙越來越小，那堵墻也變得越來越近。一轉眼，你已經回到了一百三十七億年前，跟今天冰冷漆黑的宇宙不同，那時候的宇宙不黑也不冷，雖然這里連恒星都沒有，但整個宇宙各處閃著耀眼的光，它來自宇宙最初的原子——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，到達了可見宇宙初生的那一年。這時候，那堵墻更近了，離你只有一光分的距離，還不到現在地球和太陽距離的八分之一。此時宇宙有三千攝氏度。

你繼續(xù)向前走，穿過了那堵連光都無法穿過的墻。不出所料，你眼前一片漆黑，因為周圍能量太多，光在這里沒法前進。不過你驚訝地發(fā)現，墻外面是一個至少有三十八萬年之久的古老空間。在這里，原子核還沒來得及形成，氫原子和氦原子攜帶的電子還是自由的，在一個巨大的電磁場中，各種粒子來回碰撞，不停地相互轉換。此時，周圍的溫度是五千攝氏度。

從這里開始，你又往前走了三十八萬年，溫度已經上升到了一千億攝氏度。你發(fā)現原子核，還有里面的質子、中子全都土崩瓦解，強核力也失效了，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間的開端，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、光和能量之間快速轉換，已經幾乎沒有差別。整個世界都在搖晃，時空被引力扭曲得不成樣子。你跌跌撞撞地前行，最終到達了目的地——被物理學家稱為“時間與空間誕生的時刻”，這一刻只有一百萬億億億分之一秒。

此時，我們今天的龐大宇宙全被壓縮在一個直徑十米的空間里，溫度已經高達一千億億億攝氏度。在這里，沒有夸克，也沒有粒子，甚至連我們之前說過的各種作用力場都沒有——它們都被統(tǒng)一成了一個量子場，叫做“大統(tǒng)一場”，唯獨引力位于這個場之外。這一刻就是我們熟悉的“大爆炸”，從這時候開始，稠密的能量開始轉化成粒子，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)現好像還能往前走?？墒牵S著時間倒流，周圍突然冷卻下來，能量和物質都不見了，殘存的能量構成了一個你從未見過的量子場，充斥著從未見過的基本粒子。直徑十米的空間急劇收縮，最終成了一個只有質子體積幾十億分之一的小點，這個你從未見過的量子場叫做“暴脹場”。

也就是說，在一百萬億億億分之一秒的時間里，宇宙從一個小點瞬間膨脹成一個直徑十米的灼熱球體，我們剛剛就反向經歷了這個被稱為“宇宙暴脹”的過程。在這個已經縮小成量子大小的宇宙中，你還想試著前行，可是發(fā)現已經做不到了。這里沒有空間，沒有時間，一切規(guī)則都不適用，時空旅行已經沒有意義了。

這里就是宇宙的真正開端嗎？很可惜，并不是，眼前又出現了一堵新的墻。只不過，構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，而是現代科學的局限。

4. 量子漲落與黑洞

在穿越時間之后，有兩個問題還沒解決。

首先，宇宙中會隨機產生成對的粒子和反粒子，這些粒子對出現的地方和時間都有無限可能，這就是所謂的“量子漲落”。照這么說，宇宙的任何一點都可能存在無窮大的能量。無窮大的能量意味著巨大的引力效應，這還了得？那宇宙還不得塌了？

為了讓問題更容易解釋，理論學家們干脆不考慮引力，順便把無窮大也去掉。這樣一來，計算就沒問題了，也能自圓其說了。

第一個問題是解決了，但還有另一個問題：我們都知道，現實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的時候，一直都在回避引力這個問題，即使是在宇宙原初時的大統(tǒng)一場中，引力都被排除在外。為什么會這樣呢？答案是，引力沒辦法被量子化。

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

首先，我們的時空會被彌散于各處的引力子分解成無數塊割裂的碎片，時空不再連續(xù)；其次，如果我們考慮到量子運動的隨機性，那我們生活的時空也會很隨機，上一秒鐘你還坐在家里看電視，下一秒中你可能在中世紀的歐洲做禮拜，再下一秒鐘你可能出現在東漢末年的戰(zhàn)場上……這不就亂套了？所以不行，我們只好把引力獨立出來。

既然微觀量子場論有道理，宏觀的廣義相對論也沒錯，這兩個“看起來都對”的理論真的沒辦法統(tǒng)一起來嗎？直到人們發(fā)現了黑洞。

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

時空不會斷裂，而是會形成一個“深坑”，在很小的空間里聚集巨大的能量和質量，這個“深坑”就是黑洞。黑洞的引力非常大，時空扭曲很嚴重，以至于連光都逃不出來。在這樣一個密度巨大的領域，愛因斯坦的廣義相對論失效了，我們不得不把頭轉向量子場論。

黑洞里面是什么樣呢？假如你不幸掉進了黑洞，你的時間會靜止，你的身體會在巨大的引力作用下分解，直到每一個基本粒子都獲得自由，產生一個量子化的你。具有了量子的特征，你就可以憑空出現在任何一個地方，還會被轉化為能量流噴射出來。每噴射出一點能量，黑洞就會損失一點質量，就這樣，一個黑洞會在漫長的時間中，慢慢地變小、死亡，這就是所謂的“黑洞蒸發(fā)”。

我們剛剛說的這個過程，還沒有實驗證實。物理學家霍金也只是通過計算預測了黑洞蒸發(fā)的存在，至于它到底對不對，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，經常會有“平行宇宙”的情節(jié)。我們能看到的這個宇宙，會不會還有其他宇宙呢？

要回答這個問題，咱們需要重新回到宇宙產生的那一刻，重新經歷一遍宇宙暴脹的過程。在極短的時間內，比質點還小的宇宙膨脹到直徑十米的球體?？上攵蛎浀乃俣确浅？?，甚至比光速還快。

在暴脹場中，宇宙以超過光速的速度膨脹。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，本應不斷快速出現又消失的粒子被“凍結”在暴脹場中，導致原本均勻的宇宙空間變得坑坑洼洼。

科學家們觀測到了這種量子層面的差異，他們認為，正是這種粒子的不均勻分布造成了物質的聚合，產生了星系和我們生活的世界。

除此之外，科學家們還證實了暴脹場的存在。他們認為，在宇宙產生后八十億年的時候，那會兒還沒有地球，暴脹場和它里面的粒子短暫蘇醒過，促成了宇宙的又一次膨脹，最終讓宇宙能像現在這樣永遠膨脹下去。

在量子世界，有無限種可能，出現過一次的東西，就可能出現過無數次。

既然暴脹場具備量子場的特性，那么它的基本粒子就可以隨時隨地蘇醒，并產生局部空間的暴脹。這種暴脹的后果，就是再產生一個宇宙“氣泡”。再進一步說，根據量子理論，應該有著無數個氣泡宇宙，甚至連我們生存的這個宇宙，都只是這些氣泡宇宙中的一個！這就是所謂的“多重宇宙”理論。

我們從宇宙、星系、星球，說到了原子、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，或者用儀器探測到。那么再小一點呢？比量子還小的是什么呢？

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

按照科學家的預測，弦只存在于十維空間里，我們這些三維生物根本無法理解十維空間，但它的確存在。既然弦的振動產生了我們這個三維的世界，那另外七維的振動也會產生其他的世界。物理學家認為，這些世界之間并不存在明顯的界限。也許有一天，我們也能進入一個更高維度的空間。

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想，從古到今，我們對宇宙的了解也越來越深入。

伴隨著科技發(fā)展的，人們提出過無數的理論，又無數次被證實或者推翻，不論是牛頓力學、相對論，還是黑洞理論、弦理論。新的理論從枯燥的算式中不斷產生，而這些數字將帶我們走向未知的領域。在將來，關于宇宙的理論會越來越準確，宇宙的面目也會越來越清晰。

編輯|涼山

排版|涼山

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