都说宇宙起源于宇宙大爆炸但为什么“真空”中能凭空冒出各种粒子

想象一下，你手中有一片宇宙中最完美的真空。你抽走了每一颗原子，屏蔽了每一丝光线，它空无一物，达到了近乎绝对的“无”。按照我们经典世界里的直觉，这里应该万籁俱寂、永恒不变。然而，在量子世界中，这片真空却是“沸腾”的海洋，它并不“空”，而是充满了量子涨落，甚至可以从中产生真正的粒子。这虽然听起来像是魔法，但却是现代物理学里一个经过严格推导的重要预言——也就是所谓的宇宙学粒子产生现象。

最早在1970年，物理学家 L. Parker就对此开展了奠基性研究。要想理解这个现象，我们得靠量子理论和广义相对论这两大现代物理的支柱来解答。

“不空”的真空：量子场与涨落

一提到“真空”，我们常会联想到绝对的虚无。然而，在物理学中，真空远非一无所有。

量子场论告诉我们，真空实际上是所有量子场的“基态”——你可以把它想象成一个能量最低的可能状态。但微观世界的规则与日常经验不同，海森堡不确定性原理指出，我们无法同时确定一个粒子的能量和存在时间。这种不确定性就会导致真空中不断发生着能量的短暂涨落。

正是这些涨落，使得真空中会瞬间涌现出粒子-反粒子对（例如电子与正电子），它们迅速相遇并相互湮灭，归还“借用”的能量。这些短暂存在的粒子被称为“虚粒子”，它们并非幻觉。在量子电动力学中，科学家就准确描述了真空中如何不断产生和湮灭虚电子-正电子对以及光子的过程。

不过要注意，虚粒子与我们日常所说的实粒子（如原子、分子等）有本质区别。虚粒子更像是一种数学描述，代表着量子场的传播，无法被直接观测。但正是这种无处不在的量子涨落，揭示出真空实际上蕴藏着巨大的潜能——它是一片看似空无、却不断沸腾着的“量子泡沫”。

那么问题来了，这些虚粒子有可能转变为真实的粒子吗？答案是肯定的，而其关键在于时空本身的结构。

动态的时空：广义相对论的角色

爱因斯坦的广义相对论彻底改变了我们对引力的理解：引力不再是传统意义上的“力”，而是时空弯曲的几何效应。

我们可以把时空想象成一张巨大的弹性膜，天体放在膜上就会使其周围区域产生弯曲，进而影响其他物体的运动。

更重要的是，时空本身并不是静止的。宇宙学观测证实：宇宙正在膨胀，时空结构本身也在拉伸。这种膨胀不是物质在某个固定空间中扩散，而是空间尺度本身随时间增大。除此之外，时空还会产生振动，形成所谓的引力波。

而粒子由“虚”向“实”转变的秘密就在这里：当时空处于动态（比如膨胀），虚粒子转变为实粒子就成为可能。

从无到有：实粒子如何从“虚无”中“诞生”？

在平坦且静态的时空中，虚粒子对总是刚冒出来就快速湮灭，整体看来并没有净粒子产生。但如果时空本身在剧烈变化，比如宇宙快速膨胀，情况就完全不同了。

这是为什么呢？让我们想象一下：当一对虚粒子出现的瞬间，时空恰好急剧拉伸，那么这两个粒子就有可能被迅速拉开很远，以至于它们来不及相遇湮灭。随着拉开的距离越来越大，它们之间的相互作用变得微乎其微，最终“分道扬镳”。于是，能够被观测到的实粒子，便从真空中诞生了！

这看起来似乎违背了能量守恒定律？并非如此。能量守恒源于时间平移对称性（即物理规律不随时间变化），但在膨胀的宇宙中，这一对称性并不成立。因此，时空膨胀本身提供了粒子产生所需的能量。

Parker所发现的这一机制，就被称为“宇宙学粒子产生”。它并不限于某种特定粒子，而是适用于所有量子场。这个现象在宇宙学中有着丰富的应用。不过也有个特殊情况，在宇宙极早期的暴涨阶段——一段指数式急剧膨胀的时期，量子场的真空却有所不同。科学家发现可以定义一个特殊的真空态，称为Bunch-Davies真空。这个真空态在暴涨时期不发生粒子产生的现象，这是因为暴涨时空的对称性比一般膨胀宇宙的更大，所以稳定的真空态就可行了。在宇宙学中，Bunch-Davies真空态已成为研究早期宇宙量子过程的基石。

与此类似的现象，还有霍金辐射：黑洞边界处的强引力场也会导致粒子产生。

这些现象共同表明，在弯曲时空中，量子涨落能够催生真实粒子，这是弯曲时空量子场论的一个基本特征。在膨胀宇宙背景中，这可以通过一种数学上的变换——保辛变换(Bogoliubov变换)来描述宇宙学粒子产生现象，正因如此，物理学家Robert Wald认为，在一般的弯曲时空中，“粒子”这一概念本身需要重新审慎定义。

量子力学的新挑战：幺正性疑难

宇宙学粒子产生对量子力学的基础提出了一个深刻问题：幺正性。在传统量子力学中，幺正性保证概率守恒和信息不丢失——系统的初始状态与未来状态之间总是存在确定的对应关系。

然而在宇宙膨胀过程中，量子场从“无粒子”的初始真空态，演化到“有实粒子”的末态，看上去像是凭空产生了信息，这显然违背了幺正演化。这也一度让该理论陷入争议。

2015年，物理学家Ivan Agullo和Abhay Ashtekar通过巧妙的数学重构解决了这一难题。他们指出，在动态弯曲时空中，我们需要扩展幺正性的传统定义。只要采用更广义的框架，整个演化过程仍然满足信息守恒。2023年，物理学家Musfar Muhamed Kozhikkal和Arif Mohd通过几何量子化方法构造了广义幺正意义下的态演化算符，进一步确认了弯曲时空中量子场论需要采用广义幺正性。他们的工作不仅调和了粒子产生与量子力学之间的冲突，也推动了弯曲时空量子场论的进一步发展。我们现在可以放心地说，宇宙学粒子产生是“广义幺正”的。

重新理解“无”与“有”

从真空中虚粒子的瞬息涨落，到早期宇宙中星系形成的原初种子，再到黑洞边缘的霍金辐射，这些现象共同描绘出一幅全新的物理图景：真空远非虚无。它是量子场的最低能态，是一片看似空无、却充满潜力的原初之海。

而宇宙本身的动态特性正为释放这种潜能提供了钥匙。正如Parker的开创性工作所揭示的那样，粒子可以从真空中诞生，时空结构本身也参与并塑造了物质的创生。

这不仅深刻改变了我们对“无”和“有”的理解，也将量子力学、广义相对论和宇宙学更紧密地联结在一起，继续推动着人类对自然本质的探索。

当你下一次仰望星空，或许可以想象：我们眼前的璀璨星系、脚下的蓝色地球，乃至我们自己，都起源于那片看似虚空、却蕴藏无限生机的量子之海。

出品：科普中国

作者：刘城伍（山东大学物理学院在读理论物理博士）

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