深度科普：宇宙源于“无中生有”，那么大爆炸之前发生什么？

宇宙大爆炸理论是现代宇宙学中关于宇宙起源和演化的主流理论，它描绘了宇宙从一个极度炽热、致密的奇点诞生，并不断膨胀、演化的过程。

科学家们认为，宇宙起源于约 138 亿年前的一个奇点。这个奇点拥有无限大的密度、温度和曲率，却没有空间和时间的概念，所有已知的物理定律在奇点处都失效 。

在某一时刻，奇点发生了剧烈的爆炸，释放出了巨大的能量和辐射，空间和时间也随之诞生。从那时起，宇宙开始了不断的膨胀和冷却，在这个过程中，各种物理过程和化学反应逐渐发生，逐渐形成了我们今天看到的各种元素、分子、星系、恒星、行星等天体。

宇宙大爆炸理论并非凭空猜测，而是有一系列观测和实验数据作为支撑。

例如，宇宙微波背景辐射的发现，这是一种均匀分布于整个宇宙空间的微弱电磁辐射，被认为是宇宙大爆炸后遗留下来的热辐射，其频谱具备热辐射特征，温度均匀，约为 2.725K，这与大爆炸理论预测的宇宙早期热平衡状态高度相符。

宇宙红移现象也是重要证据之一，天文学家观测到遥远星系的光谱普遍存在红移，即光线的波长变长，频率变低，表明这些星系正在快速远离我们，且星系退行速度和它们与地球的距离成正比，这意味着宇宙在不断膨胀，为宇宙大爆炸理论提供了有力的观测基础。

此外，原初核合成理论预测了宇宙中氢、氦以及少量锂等轻元素的相对丰度，与实际观测结果相匹配，也进一步支持了该理论。

在量子力学的框架下，“无中生有” 并非是违背科学常理的幻想，而是有着深刻理论依据和实验支撑的科学概念 。这一解读的关键在于理解真空零点能和量子涨落这两个重要概念。

真空零点能是量子力学中一个奇特的概念，它表明即使在绝对零度（理论上最低的温度，此时原子和分子的热运动停止）下，空间中仍然存在着一定的本底能量，这种能量是量子系统的基态所具有的最低能量，无法被完全移除 。

根据海森堡不确定性原理，能量和时间的测量存在一定的不确定性，即：

这意味着在极短的时间间隔内，能量可以有较大的不确定性，从而导致真空中会随机出现微小的能量涨落。

量子涨落就是基于这种不确定性原理产生的现象。在微观世界的量子真空中，并不是一片寂静和空无一物，而是不断有虚粒子对（例如电子 - 正电子对）在极短的时间内随机产生，然后又迅速湮灭 。

这些虚粒子对的产生和湮灭过程就像是从真空中 “借取” 能量，然后在极短时间内 “归还” 能量，整个过程符合不确定性原理。虽然单个量子涨落事件非常微小且短暂，但在整个宇宙的广袤空间和漫长时间尺度上，这些涨落现象却是普遍存在的。

卡西米尔效应是量子涨落存在的一个重要实验证据。

1948 年，荷兰物理学家亨德里克・卡西米尔提出，如果将两块不带电的金属薄盘在真空中平行放置且距离足够近，由于金属盘之间和外部空间的量子涨落存在差异，会导致金属盘之间产生一种微弱的吸引力，这就是卡西米尔力。

在金属盘之间，由于空间限制，较长波长的虚粒子无法存在，而金属盘外侧的空间则允许各种波长的虚粒子存在，因此外侧虚粒子的能量涨落大于内侧，从而产生了一个指向金属盘内侧的压力差，即卡西米尔力 。

1996 年，物理学家首次对卡西米尔效应进行了精确测定，华盛顿大学的 Lamoreaux 及其学生 Dev Sen 的实验结果与卡西米尔所预测的力相差不超过 5% ，此后，其他科学家的实验也进一步验证了卡西米尔效应的存在，有力地证明了量子涨落的真实性。