诞生宇宙的量子蛋

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宇宙是如何诞生的？这是一个永恒的谜题，也是一个科学家们一直在探索的问题。宇宙的起源究竟是什么样的？我们能否用物理学的规律来描述它？今天，我们来回顾一下引领了宇宙大爆炸模型的一些重要思想，这是一种非常成功地描绘了宇宙早期历史的尝试。有趣的是，这一切都始于一个宇宙之“蛋”，不过它是一颗量子蛋。

1929年，爱德温·哈勃发现了星系之间正在远离彼此的事实，这为新时代的宇宙学奠定了基础。在这个时代，宇宙学家们认识到，宇宙有着自己的历史，甚至有着一个遥远的开始。这个结论是从哈勃的发现自然而然地推出来的：

如果星系现在正在分离（我们说它们在后退），那么也许在宇宙过去的某个时刻，它们曾经“堆叠在一起”，所有的物质都被挤压到一个微小的体积里。把这个体积推到极限，它就变得和物理学能够想象的任何东西一样小。当然，我们也有理由相信，在这个极端的层面上，存在着我们还不知道的规律。

不久之后，在1931年，比利时神父兼宇宙学家乔治·勒梅特尔在一篇文章中推测，这个初始事件——宇宙的开始可以被模拟为一个单个物质量子的衰变。一个原始的微粒孕育了一切。勒梅特尔说：

“如果世界是以一个单一的量子开始的，那么空间和时间的概念在开始时就完全没有任何意义；只有当原始量子被分成足够多的量子时，空间和时间才会有一个合理的意义。”

在勒梅特尔的描述中，宇宙的初始状态是没有空间或时间的。勒梅特尔暗示说，也许这个初始量子就像一个“独特的原子”。这个高度不稳定的原子“会通过一种超放射性过程分裂成越来越小的原子。这个过程的一些残余可能……促进了恒星的热量，直到我们低原子序数的原子使生命成为可能。”他在这篇非常短的文章中以一个惊人的洞察力结束：“世界上所有的物质必须在开始时就存在，但是它要讲述的故事可以逐步写下来。”

总结一下勒梅特尔的论点，就是有一个初始状态，它超出了空间和时间正常描述之外，有点像一个无时无刻的量子原子，这个量子原子自发地开始衰变成更小的原子，或者说量子碎片。时间是变化的衡量，它只有在原子衰变时才开始流逝。空间随着碎片远离它们的祖先而增长。一些热量或辐射在衰变过程中产生。

这就是勒梅特尔所说的“超放射性过程”，也就是我们今天所说的宇宙大爆炸。这个过程并不是一个真正的爆炸，而是一个极快的膨胀，把原来紧密相连的物质和能量分散到越来越大的空间里。这个膨胀仍然在继续，正如哈勃所观察到的那样。

勒梅特尔的想法非常有创造力，但也有一些问题。首先，他没有解释为什么初始量子会开始衰变，或者说为什么宇宙会开始存在。这可能是一个超越科学范畴的问题，因为科学只能描述已经存在的事物，而不能解释为什么它们存在。其次，他没有给出初始量子或其衰变产物的具体性质，也没有给出任何数学方程来描述这个过程。他只是提出了一个定性的图像，一个启发性的比喻。

不过，勒梅特尔的思想为后来的宇宙学家们提供了一个重要的灵感来源。他把宇宙的起源联系到了量子物理学，这是当时最前沿的科学领域之一。他认识到，在极端条件下，物质和能量会表现出奇异和非直观的特征，而且空间和时间也会失去它们平常的意义。他还强调了宇宙历史中不同阶段之间的联系，从最初的高温高密度状态到现在的低温低密度状态，从最简单的元素到最复杂的生命形式。

勒梅特尔可以被称为宇宙大爆炸模型的先驱，虽然他自己并没有用这个术语。这个术语是由英国天文学家弗雷德·霍伊尔在1949年创造的，当时他在一次广播节目中嘲笑了勒梅特尔和其他支持这种模型的人：

“这些人认为世界是从一个原始状态开始的，你可以想象成一个巨大爆炸。”霍伊尔本人并不赞同这种模型，他更倾向于一种稳恒态理论，认为宇宙没有开始或结束，而是一直保持不变。

然而，随着更多的观测和理论证据支持了大爆炸模型，霍伊尔的嘲讽反而成了这个模型最流行的名称。虽然这个名称有些误导人，但它确实传达了一种强烈的视觉印象：一个从无到有、从小到大、从热到冷、从简单到复杂、从无序到有序、从死寂到生机勃勃的宇宙演化过程。

宇宙大爆炸模型并不是一个完美的理论，它也有一些困难和疑问。例如：

它无法解释为什么宇宙的初始状态是这样的，而不是别样的。它也无法描述宇宙最早的时刻，当物理学的规律还没有形成或者还不适用的时候。它还需要引入一些假设和参数来解释一些观测现象，比如暗物质、暗能量和宇宙的平坦性等。

为了克服这些问题，科学家们提出了一些修正或扩展的理论，比如暴涨理论、多元宇宙理论和弦理论等。这些理论都试图从更深层次或更广阔范围来解释宇宙的本质和起源。

然而，无论我们如何改进或修改我们的宇宙模型，我们都不能忘记勒梅特尔的最初的洞见：

宇宙是一个有故事要讲的实体，而这个故事是逐步写下来的。

我们作为人类，也是这个故事的一部分，也是这个故事的讲述者。我们正在用我们的智慧和想象力，去探索和理解这个故事，去发现和创造这个故事中的美丽和奥妙。我们也许永远无法知道这个故事的全部真相，但我们可以不断地接近它，不断地欣赏它，不断地分享它。

Marcelo Gleiser. The quantum egg that birthed the Universe. Big Think. 2023-04-19. https://bigthink.com/13-8/quantum-egg-birth-universe/Georges Lemaître. The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory. Nature. 1931-05-09. https://www.nature.com/articles/127706b0Edwin Hubble. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1929-03-15. https://www.pnas.org/content/15/3/168Fred Hoyle. The Nature of the Universe: A Series of Broadcast Lectures. Basil Blackwell. 1950.Adam Frank and Marcelo Gleiser. The Big Bang: What Really Happened at Our Universe’s Birth? Scientific American. 2011-06-01. https://www.scientificamerican.com/article/the-big-bang-what-really-happened-at-our-universes-birth/