朱清時先生：再談物理學步入禪境（三）物質世界是無中生有產生的

早在公元前340年，希臘哲學家亞里士多德就已經證明，地球是一個圓球而不是一塊平板。他認為地球是宇宙的中心，是不動的，太陽、月亮、行星和恆星都以圓周為軌道圍繞著它轉動。在公元後兩世紀，這個思想被托勒密精製成一個完整的宇宙模型。

1514年哥白尼提出了一個更簡單的模型：太陽是靜止地位於中心，而地球和其他行星繞著太陽作圓周運動。

1687年牛頓出版了他的《數學的自然哲學原理》，在這本書中，牛頓提出了萬有引力定律，根據這定律，宇宙中的任一物體都被另外物體所吸引，物體質量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。這也就是使物體落到地面上的力。根據他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道繞著地球運行，而地球和其他行星沿著橢圓軌道繞著太陽公轉。

按照牛頓的引力理論，恆星應該相互吸引，它們不能保持基本不動。但是在20世紀之前從未有人暗示過，宇宙是在膨脹或是在收縮。甚至那些意識到牛頓的引力理論導致宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙可能是在膨脹。

20世紀30年代，哈勃通過天文觀測發現，宇宙中存在許多星系，不同星系之間的距離一直在增加著，任何兩個星系互相離開的速度和它們之間的距離成正比。這表明宇宙在膨脹，這正好與愛因斯坦廣義相對論的預言一致。

宇宙膨脹，準確地說，是宇宙中的任何兩點之間的距離在變大，而非空間在延續其自身。這個圖像就像宇宙的整體是在一個膨脹著的巨大的氣球表面上。

宇宙在膨脹意味著，在過去的某一時刻（現已確定為137.2億年之前）鄰近星系之間的距離為零。這一時刻被稱之為大爆炸。

綜合今天所有的觀測證據，我們可以得出下面這個宇宙演化景象。

在大爆炸時，宇宙體積被認為是零，所以是無限熱。早期宇宙存在過一個非常快速膨脹的時期，即「暴漲」，在最初的一萬億億億分之一（10-35）秒的時間裡，宇宙的半徑增大了100萬億億億（1後面跟30個0）倍。這時宇宙的體積從比原子還小，急劇脹大到宇觀尺度。

在暴漲時期，宇宙的溫度非常高，粒子會運動得如此之快，以至於能逃脫任何將它們吸引一起的作用。而且粒子的能量是如此之高，只要它們碰撞就會產生出來很多不同的粒子~反粒子對，雖然其中一些粒子~反粒子隨後會湮滅，但是它們產生得比湮滅得更快。因此，宇宙在暴漲時期無中生有地產生了眾多物質。

在我們能觀察到的宇宙里大體有一億億億億億億億億億億（1後面跟80個0）個基本粒子。它們從何而來？答案是，在量子理論中，粒子可以從粒子~反粒子對的形式由能量中創生出來。但能量從何而來？答案是，無中生有，宇宙的總能量剛好是零。宇宙的物質是由正能量構成的；然而，所有物質都由引力互相吸引，引力場具有負能量。

要理解為何引力場具有負能量，想像使一顆行星脫離太陽系。一旦它到了自由空間，行星的能量為零。因為需要增加能量將行星拽出太陽系使它進入能量為零的狀態，所以當行星在太陽系範圍內時，它的重力能為負。

在空間上大體一致的宇宙的情形中，人們可以證明，這個負的引力能剛好抵消了物質所代表的正能量，所以宇宙的總能量為零。

宇宙暴漲時期，能量密度保持不變，當宇宙體積加倍時，正物質能和負引力能都加倍，總能量保持為零，而不破壞其能量的守恆。在這個時期（其實只是一個非常非常短的瞬間），宇宙的尺度增大了一個非常非常多倍，可用以製造粒子的總能量變得非常大。在宇宙的正常膨脹時，這種情況就不會發生了，因為這時當宇宙繼續變大時，物質能量密度也同時下降。

最近，暴漲理論可能已經證實。因為暴漲時期的引力波作用到微波背景光子，會產生一種叫做B模式的特殊偏振模式，這是其他形式的擾動都產生不了的，因此是暴漲時期的引力波的「指紋」。最近，架設在南極的BICEP2望遠鏡觀測到了宇宙大爆炸的「餘燼」— 宇宙微波背景輻射中這個暴漲時期的引力波的「指紋」，這項發現若經證實將是支撐宇宙暴漲理論模型迄今為止最有力的證據。③

隨著宇宙的膨脹，溫度在降低，宇宙的尺度大一倍，它的溫度就降低到一半。大爆炸後的一秒鐘，溫度降低到約為100億度，此刻宇宙主要包含光子、電子和中微子和它們的反粒子，還有一些質子和中子。隨著宇宙的繼續膨脹，溫度繼續降低，電子~反電子對在碰撞中的產生率就落到它們湮滅率之下。這樣只剩下很少的電子，而大部分電子和反電子相互湮滅，產生出更多的光子。

在大爆炸後的大約100秒，溫度降到了10億度，在此溫度下，質子和中子開始結合產生氘（重氫）的原子核，然後，氘核和更多的質子中子相結合形成氦核，它包含二個質子和二個中子，還產生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。

大爆炸後的幾個鐘頭之內，氦和其他元素的產生就停止了。之後的100萬年左右，宇宙僅僅只是繼續膨脹，開始形成原子，然後原子凝聚成星系，星系被分割成更小的星雲，形成恆星和行星，一個行星 — 地球上逐步演化出了人類，演出了許多悲壯的活劇。

宇宙還要繼續膨脹，溫度不斷降低。經過大凍結，人類和所有智慧生命死亡。然後質子中子等基本粒子衰變，萬物消逝。最後，按照弦論的預言，宇宙向內塌縮成一點，就像當初乍現那樣驟然消失。

在上千年的時間裡，物理學家經過千辛萬苦得到的這個宇宙真相，震驚了他們自己。諾貝爾物理獎得主溫伯格在其名著《最初三秒鐘》中說：「宇宙越是看來可以理解，就越顯得毫無意義……人生是場鬧劇。」

3.Nature Vol 508，28-30，3 April 2014。

本文轉自「大風網站」

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