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既然物質不能憑空產生,那麽宇宙最初的物質是從哪裏來的?

2020-11-02科學

2020.11.07更新

大家的每一條評論我都有看,我也在反思為什麽自己的回答讓好多人看得雲裏霧裏。我今天就來把之前的回答完善一下吧,爭取寫出一個讓大家滿意的回答。這篇回答不可避免要涉及到大一水平的微積分和物理,不過我也會盡量把重點內容凸顯出來,使得沒有相關基礎的讀者可以忽略其中的細節而抓住重點。

以下是整合及大修後的回答。

為了方便讓大家理解,我把這個問題分解為以下幾個問題:
1. 物質/能量能不能「憑空」產生?
2. 宇宙在其誕生初期經歷了什麽?
3. 今天的宇宙中有大約 10^{55} kg的物質,它們都是在宇宙剛誕生時就存在的嗎?還是說,只有一部份在宇宙剛誕生時就存在,另一部份是後來產生的?如果是第二種情況,那麽後來產生的這部份物質具體是怎麽產生的?(1→100...的過程)
4. 宇宙剛誕生時就存在的這一部份物質是從哪裏來的?(0→1的過程)

一、物質/能量能不能「憑空」產生?

在聊這個問題之前,我需要說一說現代物理學中物質的微觀模型。現代物理學中人們用「 量子場論 」去描述微觀粒子的性質與交互作用,這一理論的基本思想可以歸納為:①微觀粒子的波函式可以被視為彌漫在時空中的「場」,認為 所有物質都是各種各樣的場 。② 場的能量動量是量子化的 ,就像階梯一樣,比如能量可以是0 1 2 3……但不能是1.3 2.5這樣的。③場的能量動量每上升一個台階就相當於時空中產生一個粒子,每下降一個台階就相當於時空中湮滅一個粒子,場能量下降到最低的話就是一個粒子也沒有的真空。也就是說, 場比粒子更基本,真空是場的能量最低的基態,而粒子是場的更高能量的激發態

從上面的描述大家可以看到,粒子的產生過程其實就是它對應的場的能量上升一個台階的過程。只要場的能量可以增多,粒子就可以產生。因此,物質能不能「憑空」產生的問題就等價於場的能量能不能「憑空」增加的問題,換句話說,這就是 物質場的能量是否必須守恒的問題 。這個問題的答案是:可以不守恒。要理解這一點,必須要明白「能量守恒」的條件是什麽。

在物理學中有一條非常重要的定理,叫做「 諾特定理 」(物理系大二學分析力學課會學這個內容),這個定理的基本思想是:每一條守恒定律的背後都對應著某種對稱性(當然,這個表述不嚴格)。能量守恒對應的對稱性是「時間平移對稱性」,就是說一般在物理系統具有時間平移對稱性的情況下,這個物理系統的總能量才是守恒的。對於平直時空,一定具有此對稱性,所以物質的能量一定守恒。而對於廣義相對論中的彎曲時空,沒有這種對稱性,物質的能量就不一定守恒。

對於宇宙這個物理系統,不具有時間平移對稱性, 宇宙中物質場的能量就可以是不守恒的 。研究表明,只有在非相對論性物質主導的宇宙中,即滿是低速運動的物質的宇宙,物質場能量才是守恒的。而如果宇宙是相對論性物質(如光子、微中子)主導的,物質場能量就會隨著宇宙的膨脹而減少,如樓下@Thomas的回答。還有一種情況下宇宙中物質場的能量會增加,我們接下來要聊的就是這種情況。

二、宇宙在其誕生初期經歷了什麽?

在宇宙誕生的極早期(大約 10^{-30} 秒內),宇宙經歷了一場劇烈的「 暴脹 」過程。這是個什麽樣的過程呢? 暴脹是物理學家們假設的宇宙在其誕生初期經歷的指數膨脹過程 ,認為宇宙在其剛誕生 10^{-30} 秒內,尺度急劇膨脹了大約 10^{26} 倍(體積膨脹了(10^{26})^3=10^{78} 倍)。這一假設並不是憑空瞎猜的,而是為了解決許多宇宙學疑難才提出的,比如為什麽觀測表明現在的宇宙如此平坦、均勻,為什麽宇宙微波背景放射線上面存在漲落。這些問題都可以被暴脹理論所解釋,因此物理學家們相信暴脹過程的確在極早期宇宙中發生過。

那麽宇宙為什麽會發生暴脹呢?通常認為極早期宇宙中存在一種 量子純量場 \phi ,這種特殊的物質場主導了極早期宇宙的演化。接下來我要向大家證明這種純量物質場可以造成宇宙的指數膨脹,證明的過程會用到大一水平的微積分和物理,如果讀者不想看這部份的話可以只看 粗體字 的部份。不過, 如果讀者把整個證明過程follow下來了,會對理解本文有質的提升

場是彌漫在整個空間當中的,因此我們不能直接定義場的能量,而是需要對空間中的每一點定義一個能量密度 \rho , 總能量=能量密度×體積 。我們可以把這個純量物質場 \phi 的能量密度寫為 \rho=\dot\phi^2/2+V(\phi)
其中, \dot\phi^2/2 為場的動能密度, V(\phi) 為場的勢能密度。可以看到這和我們高中學的 總能量=動能+勢能 很像。為了求解這個純量場如何影響宇宙的演化,我們需要借助描述宇宙尺度的演化的方程式——(平坦的) 弗瑞德曼方程式
(\frac{\dot a}{a})^2=\frac{8\pi G}{3}\rho
這是一個一階微分方程式,其中 a 為宇宙的尺度因子, \dot a 為尺度因子對時間 t 的導數, G 是萬有重力常數, \rho 就是前面說的物質場能量密度。把純量物質場的 \rho 代入弗瑞德曼方程式可以得到:
(\frac{\dot a}{a})^2=\frac{8\pi G}{3}(\frac{1}{2}\dot\phi^2+V(\phi))

現在,我們只需要給定勢能函式(勢能曲線)V(\phi) 的運算式就可以求解這個方程式了。通常來說,為了引發暴脹,我們需要假設這個純量場的勢能曲線 V(\phi) 上有一段平緩的高台,比如下圖中的Starobinsky勢。極早期宇宙(的狀態)就在這個高台上緩慢地向穩定點捲動(勢能越低越穩定),此時 純量場的勢能密度近似為常數 V_0 且遠大於動能 ,所以可以把弗瑞德曼方程式寫為:
(\frac{\dot a}{a})^2=\frac{8\pi G}{3}V_0
如果讀者學過高數的話,應該一眼就能看出這個方程式的解是 a=c_1e^{c_2t} ,也就是說, 宇宙的尺度 a 隨著時間 t 發生了急劇的指數膨脹 。因此,這個純量物質場的存在就是引發極早期宇宙暴脹的原因。暴脹過程使得宇宙的尺度急劇膨脹了大約 10^{26} 倍。之後,隨著宇宙的狀態逐漸落向勢能曲線的最低點,使得 \rho\approx V_0 的近似不再成立時,暴脹就結束了,宇宙從指數膨脹進入減速膨脹。

圖1 用於驅動暴脹的純量物質場的某種勢能曲線(藍色)。宇宙在誕生初期,其狀態處於這個勢能曲線的平緩高台上,此時純量物質場的勢能密度近似為常數V0且遠大於動能,有ρ≈V0. 這會導致弗瑞德曼方程式存在指數膨脹解,即宇宙會存在暴脹現象。

三、暴脹中物質產生的問題

在了解了什麽叫做暴脹之後,我們就可以討論物質產生的問題了。從前面的討論我們可以看到兩件事:①暴脹過程中純量場的勢能密度 V_0 幾乎是常數;②暴脹過程中宇宙的尺度膨脹了大約 10^{26} 倍。眼尖的讀者可能一下子就看出了問題所在: 能量密度×體積=總能量 ,既然這個純量場的勢能密度幾乎是常數,而宇宙的體積膨脹了 (10^{26})^3=10^{78} 倍,那麽這就意味著 在宇宙暴脹過程中,此純量場的總能量增加了 10^{78} 倍 !!!這些能量在暴脹後的宇宙重加熱過程中,被純量物質場全部傳遞給了其他的物質場,由此(經過一系列的衰變)產生了電子、光子、誇克等標準模型粒子以及暗物質體子(如果暗物質是粒子的話)。

我們還可以算一下暴脹前宇宙中物質的總能量。目前可觀測宇宙中物質總量大約是 10^{55} kg,如果不考慮放射線為主時期宇宙能量的衰減的話,我們可以反推出暴脹前宇宙中的物質只有 10^{-23} kg,這大概只相當於幾百個碳原子的品質。由此可見, 暴脹前宇宙中物質是極少的,幾乎所有物質都是在暴脹後產生的 。這聽起來很不可思議,不過這個結果確實是從現有的理論中匯出的。當然,也有可能現有的理論是有問題的,畢竟我們對極早期宇宙中的超高能物理知之甚少。

至此,我們解釋了宇宙中絕大多數的物質/能量從哪來的問題(1→100...的問題)。另外還有一個值得思考的問題,暴脹中純量物質場的能量增加了 10^{78} 倍,那麽這些能量是從哪來的呢?這個問題其實作在尚無定論。雖然在第一部份我們說過物質場的能量可以不守恒,但宇宙中不僅有物質場,還有重力場。有很多人認為即使物質場的能量不守恒,物質場+重力場的總能量應當是守恒的,暴脹中能量是重力場給物質場的。我對這種說法存疑,因為如果能量守恒的話,重力場+物質場的總能量應該有一個上限。然而考慮一個永恒暴脹的宇宙,它的物質場能量是沒有上限的。因此我認為不能簡單地將暴脹中物質場能量的來源歸因於重力場,這個問題還要繼續研究。 @王一 老師有一篇文章討論了宇宙的能量問題,感興趣的讀者可以看一看:

四、0→1的問題

雖然我們已經解釋了宇宙中絕大多數物質是從哪來的,但還有一個問題沒有解答,暴脹前宇宙中存在的約 10^{-23} kg的物質是從哪來的?雖然它們的數量與今天宇宙中的物質總量相比無足輕重,但這個問題是非常重要的。因為正是有這點物質作為種子,才能在暴脹時期超級加倍產生今天宇宙中的所有物質。

研究暴脹之前宇宙發生了什麽的學科叫做「前暴脹宇宙學」,目前這一研究方向尚停留在假說階段,沒有任何實驗證據(暴脹是有一些預言被觀測證實的,比如預言宇宙學密度參數 \Omega_0 嚴格等於1)。前暴脹宇宙學的假說包括浮現模型、反彈模型、迴圈模型等,它們的共同特點是認為宇宙有個尺度最小值,暴脹前的那點物質是固有的,不存在產生的問題。不過這些東西目前都只是猜想而已,實際上是什麽樣子大家都不知道。我找了幾篇這方面的不錯的科普文推薦給大家:
①蔡一夫 金莊維【宇宙大霹靂之前是什麽?】
http://www. zhishifenzi.com/depth/c olumn/868.html
②張新民等【宇宙起源與阿裏原初重力波探測】
http://www. wuli.ac.cn/CN/Y2016/V45 /I5/320
③黃慶國 樸雲松【宇宙如何起源?】
https:// engine.scichina.com/pub lisher/scp/journal/CSB/63/24/10.1360/N972017-01362?slug=fulltext

最後做一個總結。

  1. 宇宙中物質場的能量可以不守恒。
  2. 宇宙在誕生初期發生了一個劇烈的暴脹過程,這是由某個量子純量場造成的。
  3. 今天宇宙中的 10^{55} kg的物質,絕大多數是暴脹後產生的,只有大約 10^{-23} kg的物質是暴脹前就存在的。
  4. 暴脹中物質產生的過程是:上述純量物質場的能量密度在暴脹期間幾乎不變,而暴脹時期宇宙的體積膨脹了 10^{78} 倍。因為能量密度×體積=總能量,所以純量物質場的能量增加了約 10^{78} 倍。這些能量在暴脹過後透過宇宙重加熱過程傳遞給了其他物質場,由此產生了各種物質體子。也就是說, 今天宇宙中的絕大多數物質都是在暴脹後產生的,用於產生這些物質的能量都來源於暴脹過程 。(能量傳遞過程:???→某種純量物質場→其他物質場→今天宇宙中的物質)
  5. 暴脹之前發生了什麽,我們不太清楚,有各種理論模型。

另外再推薦幾篇我關於宇宙學的文章及回答: