宇宙是如何从虚无中诞生的？

Lv.44猫眼星云

飞越太阳系

长久以来宇宙起源之谜一直困扰着人类，我们不清楚我们所能观察到的一切从何而来。如果宇宙来自某种已经存在的状态，我们就会想知道那个状态是什么样的，以及宇宙是如何形成的。如果宇宙从虚无中诞生，我们会想知道如何从虚无变成整个宇宙，以及是什么引起宇宙的诞生。

根据宇宙大爆炸理论，宇宙是从虚无的奇点中诞生。从常识来看，虚无意味着零物质、零能量，宇宙中所有量子场都是绝对零值。由于没有物质和能量，空间是完全平坦的。从这方面来考虑，虚无就是非物理意义上的。“虚无”不代表什么都没有但在物理学中，虚无不代表什么都没有。如果我们想从物理意义上讨论虚无，就必须保留某些东西，例如，时空和物理定律，没有它们就没有宇宙。

如果有时空和物理定律，那么，根据定义，无论哪里都会有量子场渗透到宇宙中。由于宇宙的量子性质，空间固有的能量会产生基本的“抖动”。把这些成分放在一起——因为没有它们，就不可能有一个物理上可感知的“虚无”——就会发现，空间本身并没有固有的零能量，而是存在一个有限的、非零值的能量。就像被原子束缚的电子存在一个有限的零点能量（大于零），空间本身也是如此。因此，对于空无的空间，即使它的曲率为零，即使没有粒子和外部场，它仍然拥有有限的能量密度。

根据量子场论，这被概念化为量子真空的零点能量：真空的最低能量状态。然而，在广义相对论的框架中，它以另一种意义出现：作为宇宙常数的值，它本身是真空的能量，独立于曲率或任何其他形式的能量密度。虽然物理学家不知道如何从基本原理计算这个能量密度的值，但目前可以计算它对膨胀宇宙的影响。当宇宙空间膨胀时，存在于其中的每一种能量形式不仅对宇宙的膨胀有贡献，而且对膨胀率随时间的变化也有贡献。

根据多个独立的证据，包括宇宙的大尺度结构、宇宙微波背景辐射和遥远的超新星，物理学家已经能够确定多少能量是空间本身固有的。关键的暗能量这种形式的能量就是我们现在所说的暗能量，它是导致宇宙空间加速膨胀的原因。尽管暗能量的概率已经被提出20年，但物理学家并不完全理解它的真正性质。我们只能说，当我们测量宇宙的膨胀率时，我们的观测结果与暗能量作为一个具有特定大小的宇宙常数相一致，而不是随着时间的推移而显著变化的东西。

由于暗能量会使空间逐渐膨胀，从而导致空间中的星系随着时间的推移而彼此互相远离，并且退行速度变得越来越快，所以暗能量通常被称为负引力。这种说法不仅是非正式的，而且是不正确的。引力只是正的，而不是负的。但即使是正引力，也会产生类似于斥力的效应。如果宇宙中存在更多的暗能量，膨胀率将会更大。但在一个空间平坦的宇宙中，所有形式的能量都是如此，暗能量也不例外。暗能量与更常见的能量形式（如物质和辐射）的唯一区别在于，随着宇宙的膨胀，物质和辐射的密度会降低。

但由于暗能量是空间本身的属性，当宇宙空间膨胀时，暗能量的密度必然会保持恒定。随着时间的推移，受引力束缚的星系将合并成星系群和星系团，而没有引力束缚的星系群和星系团将会加速远离彼此。如果暗能量真的存在，这就是宇宙的最终命运。那么，为什么科学家会说宇宙是从虚无中诞生的呢？因为暗能量的值可能在遥远的过去更高，那个时间在宇宙大爆炸之前。一个含有大量暗能量的宇宙，其行为将与一个正在经历空间暴胀的宇宙相同。

为了结束宇宙最初时刻的空间暴胀，这些能量必须转化为物质和辐射。多个独立证据可以有力地表明，这个过程发生在138亿年前，那就是宇宙的起源时间。那么，为什么还有少量的暗能量仍然存在于宇宙中？因为宇宙中量子场的零点能量不是零，而是一个有限且大于零的值。当我们考虑虚无和正负引力的物理概念时，我们的常识和直觉并不可靠。正由于物理学家没有依靠常识和直觉，所以才会得到正确的物理理论——它能准确地描述我们所观测到的宇宙。