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量子引力理論試圖將愛因斯坦的廣義相對論與量子力學(xué)結(jié)合在一起。

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　　無論我們?nèi)绾斡^察宇宙，是在低溫下還是在極端高能量之下，是地球附近還是可觀測宇宙的最遠(yuǎn)處，我們都會觀察到相同的物理法則。基本常數(shù)相同，引力表現(xiàn)相同，量子轉(zhuǎn)換與相對論效應(yīng)也完全相同。在可觀測宇宙中的任意時間點(diǎn)上，廣義相對論（主宰引力）與量子場理論（主宰其它已知力）的應(yīng)用形式似乎都與地球上別無二致。但情況一直如此嗎？宇宙中的量子場有沒有可能曾經(jīng)不同過？甚至一度根本沒有量子場？眾籌網(wǎng)站Patreon的支持者克里斯?肖（Chris Shaw）很想知道這些問題的答案，于是他問道：

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　　“宇宙中的第一批量子場是何時形成的？它們是自從宇宙大爆炸以來就一直存在嗎？會不會甚至比這更早、形成于大爆炸之前的膨脹期呢？”

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　　量子場甚至在我們意想不到的條件下也有可能存在。對于量子場，我們目前掌握了如下信息。

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圖為一根長條形磁鐵的磁場示意圖。這根磁鐵是一個“磁偶極子”，即磁場的南極和北極結(jié)合在了一起。即使將外部磁場移除，這類永磁體仍可保留磁性。如果將磁鐵折成兩半，南北磁極并不會隨之分離，而是會形成兩根磁鐵，每根都有各自的南極和北極。

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　　說到“場”，大多數(shù)人的認(rèn)知也許與19世紀(jì)的科學(xué)家相同：假如有一個電荷或一塊永磁體，它就會在空間中的各個方向上形成一個圍繞自身的場。無論有沒有其它粒子受其影響，這個場都存在。但你可以通過各類電荷與場的相互作用，探測到場的存在（以及場可以影響的對象與影響方式）。

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　　例如，鐵粉在磁場中可以按照磁場方向排列開來。電荷在電場中（或者在磁場中運(yùn)動時）會在力的作用下加速，具體取決于場的強(qiáng)度。

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　　在愛因斯坦和牛頓的概念體系中，就連引力也可以被描述成場，任何形式的物質(zhì)或能量都會受其在空間中的位置上受到的累積引力效應(yīng)影響，從而決定了它未來的運(yùn)動軌跡。

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在愛因斯坦和牛頓的引力概念中的任何參考系中，都可以建立起引力場模型。如果只看經(jīng)典理論體系，場的概念雖然十分有用，但并不完整。

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　　然而，這種可視化描述雖然很有用、也很常見，但只有在非量子設(shè)定下才能成立。它很好地體現(xiàn)了經(jīng)典場的運(yùn)作機(jī)制，但我們所在的現(xiàn)實(shí)與量子息息相關(guān)。按照我們對經(jīng)典物理世界的感知，場是平滑且連續(xù)的，并且從理論最小值到理論最大值這條“譜線”上，場的特性在任意一點(diǎn)均存在。然而，在量子宇宙中，這一切全都行不通。

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　　量子場不僅存在于源頭周圍（如質(zhì)量或電荷），而是無處不在。如果有質(zhì)量（對應(yīng)引力）、電荷（對應(yīng)電磁）、一個帶非零弱超荷的粒子（對應(yīng)弱核力）、或者一個色荷（對應(yīng)強(qiáng)核力），它們便會表現(xiàn)為場的激發(fā)態(tài)，但無論這些場源是否存在，場的存在都不受影響。不僅如此，這個場還是量子化的，并且其零點(diǎn)能量（或者說它可以擁有的最低能量水平）可以為零值。

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如今，費(fèi)曼圖被用于計(jì)算強(qiáng)核力、弱核力和電磁力之間的每一種基本相互作用，包括在高能、低溫或凝聚狀態(tài)下。即使沒有粒子，費(fèi)曼圖也依然存在，代表了真空中的量子場。

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　　換句話說，我們所理解的沒有電荷、沒有質(zhì)量或任何場源的“真空”并非真的空無一物，而是擁有上述量子場。這就意味著，空間中也充滿了場的量子性質(zhì)與海森堡不確定性原理結(jié)合產(chǎn)生的量子波動，占據(jù)了每一種可能的量子模式和量子態(tài)（這些量子態(tài)被占據(jù)的概率是特定的、并且從理論上來說是可以計(jì)算出來的）。

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　　你也許會對此持懷疑態(tài)度，心想：“那又怎么樣呢？量子場理論只是一種計(jì)算方法罷了，又不能驗(yàn)證這些量子場在真空中存在與否?！钡聦?shí)上，我們可以利用它來做實(shí)驗(yàn)。取兩塊平行的導(dǎo)電板，放置在你能制造出的最完美的真空中，其中不存在任何物質(zhì)和任何種類的場源，只有真空自帶的量子場，包括最基本的量子電磁場。

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　　在這兩塊導(dǎo)電板之外，這些量子場的所有可能狀態(tài)都可以存在，對量子模式?jīng)]有任何限制。但在導(dǎo)電板內(nèi)部，只有一部分量子場可以存在，因?yàn)橛行┻吔鐥l件阻止了特定電磁波的產(chǎn)生，導(dǎo)致量子場的部分激發(fā)態(tài)也無法存在。就算沒有任何電磁波來源，這些激發(fā)場態(tài)在板內(nèi)外也是不同的，從而在板上產(chǎn)生了一股叫做卡西米爾力的合力。

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圖為卡西米爾效應(yīng)的示意圖。可以看出，兩塊板內(nèi)部和外部所受的力（以及電磁場狀態(tài)）是不同的。由于板外可以存在的量子模式比板內(nèi)要多，兩板之間會形成凈吸引力。圖為卡西米爾效應(yīng)的示意圖。

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　　卡西米爾力最早于1948年由亨德里克?卡西米爾（Hendrik Casimir）提出預(yù)測，但一直到1997年，才在實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)探測到。物理學(xué)家斯蒂夫?拉莫雷（Steve Lamoreaux）成功完成了實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)果處于卡西米爾預(yù)測值的5%范圍內(nèi)。這些量子場的確在空間中無處不在。此次實(shí)驗(yàn)不僅證明了量子場的存在，還顯示了這些場的影響強(qiáng)度。

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　　物理學(xué)家想弄清的一個概念是，真空中的量子場是否全部由我們所知的量子場（即屬于標(biāo)準(zhǔn)模型和與引力關(guān)聯(lián)的量子場）構(gòu)成，還是也包含其它量子場。例如，以下這些來源也可能產(chǎn)生量子場：暗物質(zhì)的來源、產(chǎn)生暗能量的現(xiàn)象或場、宇宙膨脹期殘留的場、大一統(tǒng)理論體系形成的新場或新相互作用、或者標(biāo)準(zhǔn)模型之外的任何全新物理現(xiàn)象（包括但不限于新的力或粒子等等）。

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已知量子場在真空中所占的分量目前還無法真正計(jì)算出來，但從理論上來說，假如擁有足夠強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，這是可以計(jì)算出來的。目前我們還不清楚，我們所了解的宇宙是否全部由已知的場、粒子和相互作用構(gòu)成。

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　　雖然在我們觀察到的情況下，無論是在粒子加速器中、還是在宇宙大爆炸可觀測的最早階段，物理法則都不會變化，但量子場的性質(zhì)確保了量子耦合的強(qiáng)度（與粒子在量子場中感受到的力相一致）會作為能量和溫度的函數(shù)發(fā)生改變。

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　　在物理學(xué)中，我們將這稱作“耦合常數(shù)的跑動”。你可以這樣理解：這些虛擬量子粒子占據(jù)的激發(fā)態(tài)模式比低能基態(tài)模式要多。雖然這并不意味著在宇宙早期的高能量時期、主宰宇宙的量子場與今日有所不同，但它也說明了某些事情：這些耦合常數(shù)也許曾在某一時刻統(tǒng)一過，說明強(qiáng)核力、弱核力和電磁力也許都源自同一套大一統(tǒng)理論。在這套理論之下，所有力都實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。

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如果將耦合常數(shù)表示為雙對數(shù)坐標(biāo)軸上的函數(shù)，它們就會如左圖所示、彼此失之交臂。但如果加入一個符合預(yù)測的超對稱粒子，這幾個常數(shù)就會在1015GeV（十億電子伏特）處相交，即傳統(tǒng)的大一統(tǒng)能量尺度。

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　　這套框架不僅提供了其它量子場存在的可能性、揭露了這些量子場在高能量下的影響，還說明宇宙中也許存在一套“終極大一統(tǒng)理論”、或者說“萬物理論”。假如這種狀態(tài)真的存在，你可以將其想象為恢復(fù)對稱性的終極形式，就像把一個球放在行星上最高山的山頂一樣。

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　　假如對稱被打破，球就會滾下山、落入沿路遇到的某個山谷的最低點(diǎn)。但如果你把球放回山頂，多試幾次，盡可能讓球取得平衡，這個球不一定每次都會沿同一條路徑滾落，具體取決于以下因素：初始條件的微小差別，微小的、甚至量子級別的波動，宇宙膨脹或冷卻的速度、以及新場耦合的存在與否。

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當(dāng)對稱性恢復(fù)時（頂部的黃球），一切都是對稱的，各狀態(tài)的優(yōu)先級相同。但當(dāng)對稱性在低能量下被打破時（底部的藍(lán)球），各方向的自由度就不再相同了。在不同的量子場中，球滾入的“最低點(diǎn)”也可能有所不同。

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　　對稱性一旦被打破，最后可能擁有多種最終態(tài)。假如我們將時間撥回最初的最初，也不能保證每次都能演化出相同的物理法則和基本常數(shù)。就像我們相信地球上出現(xiàn)人類純屬運(yùn)氣使然一樣，宇宙如今擁有這些物理法則和常數(shù)，也可能只是碰巧“中獎”而已。

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　　不過，當(dāng)我們回溯到宇宙大爆炸的最早期階段，并沒有證據(jù)顯示，宇宙曾經(jīng)達(dá)到過上述理論大一統(tǒng)（以及恢復(fù)對稱性）所需的溫度。當(dāng)對稱性被打破時，就會產(chǎn)生粒子；如果這類大一統(tǒng)真的發(fā)生過，就應(yīng)當(dāng)會產(chǎn)生大量磁單極子。而這種粒子在宇宙中顯然不存在。如果我們?nèi)缃袼牧孔訄鲈醋愿绲臅r期，該時期一定處于宇宙大爆炸之前。

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　　這是否意味著，量子場可能是在宇宙膨脹期形成的呢？

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圖為多個各自獨(dú)立的宇宙的示意圖。這些宇宙分布在一個不斷擴(kuò)張的宇宙“海洋”中，彼此之間不存在任何因果關(guān)系。在多重宇宙的背景下，有可能出現(xiàn)多個不同的“口袋宇宙”，但沒人知道這些宇宙中的物理法則或基本常數(shù)是否不同于我們所在的宇宙。

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　　有可能，但我們無法確定。根據(jù)我們推斷出的、宇宙膨脹期的能量上限，膨脹期的能量也許不曾達(dá)到過形成量子場所需的水平。雖然膨脹期模型需要引入多重宇宙的概念才能成立，但“不同‘口袋宇宙’中的常數(shù)或法則也不同”的猜測還是太偏臆斷了。

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　　不過有一點(diǎn)是肯定的：某些類型的量子場在膨脹期一定存在。它們和如今的量子場也許相同，也許不同，也許超出了我們所知的量子場范圍，但無論如何都一定存在。我們是如何得知這一點(diǎn)的呢？這是因?yàn)?，我們?nèi)缃裨谟钪嬷杏^察到的波動與根據(jù)膨脹期間存在的量子場波動預(yù)測出的結(jié)果完全一致。

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宇宙膨脹期間的量子波動的確被拉長了，但也導(dǎo)致了總能量密度的波動。這些場的波動導(dǎo)致早期宇宙中的密度分布不均衡，并因此導(dǎo)致了宇宙微波背景中的溫度波動。從膨脹情況來看，這些波動一定是絕熱的（即與外界沒有熱量和粒子交換）。

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　　這些波動一般發(fā)生在微觀尺度的量子級別上。在宇宙膨脹期間，這些波動在整個宇宙范圍內(nèi)被拉長，轉(zhuǎn)化成了宇宙大爆炸開始時的溫度與密度波動，并在宇宙中留下了不可抹除的印記。我們?nèi)缃衲苡^察到這些波動和它們造成的結(jié)果，說明這些量子場在宇宙膨脹期間是存在無疑的。

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　　時空已經(jīng)存在了多久，某些類型的量子場就必定存在了多久。但在膨脹期的最后一刻之前，宇宙中究竟發(fā)生了什么，我們將永遠(yuǎn)無從得知，因?yàn)檫@已經(jīng)超出了可觀測宇宙的范圍。由于缺少證據(jù)，我們只能不斷探索已知信息的極限，并將它們與宇宙中殘留的信息進(jìn)行匹配。雖然我們開展的推測很有意思、也很符合直覺，但真相如何，我們將永遠(yuǎn)無從知曉。


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