有些人的夢(mèng)想是創(chuàng)造嬰兒,有些人的夢(mèng)想則更加宏大,那就是創(chuàng)造嶄新的宇宙。他們是認(rèn)真的嗎?是的,而且很認(rèn)真。那么,這真的有可能嗎?怎樣才能創(chuàng)造一個(gè)新的宇宙?如果他們真的創(chuàng)造出了一個(gè)新宇宙,對(duì)于地球和人類(lèi)又意味著什么?
乍一看,創(chuàng)造一個(gè)新宇宙似乎根本就不可能,因?yàn)槲覀儽仨毧紤]物質(zhì)從哪里來(lái)的問(wèn)題。組成新宇宙的物質(zhì)如果不是來(lái)自舊宇宙,又能來(lái)自哪里呢?然而,按照阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的理論,創(chuàng)造一個(gè)新宇宙其實(shí)并不需要很多東西。沒(méi)錯(cuò),提到宇宙,我們總是繞不開(kāi)這個(gè)人。
首先,愛(ài)因斯坦給出了一個(gè)著名的等式,E=mc2,指出質(zhì)量實(shí)際上可以用來(lái)度量物質(zhì)本身的能量。但更重要的是,愛(ài)因斯坦還告訴我們,空間是動(dòng)態(tài)的:它可以彎曲,也可以膨脹,而且會(huì)隨時(shí)間而變化。如果空間隨時(shí)間變化,那么能量就不守恒。
能量不守恒最簡(jiǎn)單的例子便是宇宙常數(shù)。宇宙常數(shù)正是宇宙加速膨脹的原因,與能量密度即單位體積的能量有關(guān)。顧名思義,宇宙常數(shù)是一個(gè)常數(shù),但如果單位體積的能量是恒定的,那隨著體積增加,總能量也會(huì)隨之增加。這意味著,一個(gè)不斷膨脹的宇宙可以從虛無(wú)中獲得大量的能量——如果你有辦法使空間膨脹的速度足夠快的話(huà)。這聽(tīng)起來(lái)很瘋狂,但確實(shí)是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的原理。能量就是不守恒的。
那么,即使不需要很多物質(zhì),我們又如何創(chuàng)造出一個(gè)膨脹的微小宇宙呢?讓我們先來(lái)了解一下我們所處的宇宙誕生時(shí)的條件。
這里有一個(gè)小問(wèn)題,那就是沒(méi)有人真正知道宇宙最初是如何誕生的。關(guān)于宇宙的最初時(shí)刻有很多不同的理論,但沒(méi)有一個(gè)得到了觀(guān)察結(jié)果的支持。不過(guò),有一個(gè)理論在天體物理學(xué)家中十分流行,那就是所謂的“永恒暴脹”(eternal inflation)。當(dāng)然,我們并不知道這個(gè)理論是否正確,但可能性是很大的。
在永恒暴脹中,宇宙是由“偽真空”衰變而產(chǎn)生的。在量子場(chǎng)論中,偽真空假說(shuō)認(rèn)為當(dāng)前宇宙的真空并不處于最低能量的狀態(tài),可能還存在能量更低的狀態(tài)。如果確實(shí)如此,那么現(xiàn)在的宇宙遲早會(huì)衰變至真真空狀態(tài),即能量最小的狀態(tài)。你不能從真真空中獲得能量,它是穩(wěn)定的,一直就在那里。而且,由于真真空的能量最小,它也就不能用來(lái)做任何事情。
偽真空是暫時(shí)看起來(lái)像真真空的狀態(tài),但最終它會(huì)衰變成為真真空,釋放出剩余的能量,而且這些額外的能量會(huì)進(jìn)入其他東西。例如,如果你往墻上扔一塊果凍,它會(huì)在上面停留一會(huì)兒,然后再掉下來(lái)。當(dāng)果凍粘在墻上的時(shí)候,就像一個(gè)偽真空狀態(tài),是不穩(wěn)定的;偽真空衰變?yōu)檎嬲婵盏倪^(guò)程就好比果凍掉到地上,會(huì)濺得到處都是。
那么,這和宇宙的形成有什么關(guān)系?想象一下,當(dāng)存在大量偽真空時(shí),如果其中有一小塊區(qū)域衰變成真真空,會(huì)發(fā)生什么?真真空的能量更低,但壓力更高。如果壓力更高,那它就會(huì)膨脹。我們的宇宙就是這樣開(kāi)始的。理論上,我們可以在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)這種情況。你“只需要”創(chuàng)造出這種偽真空狀態(tài),其中一部分會(huì)衰變?yōu)檎嬲婵?。如果條件合適的話(huà),真真空會(huì)迅速膨脹。當(dāng)真真空膨脹時(shí),它就創(chuàng)造了自己的空間;它會(huì)不會(huì)擴(kuò)展到我們的宇宙中,并制造出一個(gè)“泡泡”。
只有當(dāng)原始的偽真空具有足夠的能量或質(zhì)量時(shí),宇宙才有可能產(chǎn)生。那么,多少才是足夠的呢?這取決于物理學(xué)家尚不確定的某些模型參數(shù),但在最樂(lè)觀(guān)的情況下,可能大約是10千克。也就是說(shuō),創(chuàng)造一個(gè)新宇宙所需要的偽真空可能只有10千克。
但是,如何創(chuàng)造10千克的偽真空呢?沒(méi)有人知道。如果你是一個(gè)火箭科學(xué)家,10千克聽(tīng)起來(lái)可能不算多;但對(duì)粒子物理學(xué)家來(lái)說(shuō),這是一個(gè)可怕的數(shù)字。即使是目前最大的粒子對(duì)撞機(jī)——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)——所能產(chǎn)生的質(zhì)量當(dāng)量只有10的負(fù)20次方克。如果碰撞的是較大的原子核,而非質(zhì)子,這個(gè)質(zhì)量還可以提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)高能物理學(xué)家而言,10千克絕對(duì)不是在有生之年能研究出來(lái)的質(zhì)量規(guī)模。所以,可以肯定地說(shuō),在短期內(nèi)沒(méi)有人可以創(chuàng)造一個(gè)新的宇宙。
不過(guò),如果你相信偽真空理論,也認(rèn)為原理上確實(shí)可以創(chuàng)造出一個(gè)新宇宙的話(huà),我們應(yīng)該怎么處理這些宇宙呢?
情況很可能是,這些小宇宙和它們的母宇宙之間并不會(huì)長(zhǎng)久保持聯(lián)系。這種聯(lián)系就像蟲(chóng)洞的“喉嚨”部位,十分不穩(wěn)定,可能會(huì)在幾分之一秒內(nèi)崩斷。因此,在你創(chuàng)造出這些宇宙并觸發(fā)其成長(zhǎng)之后,它們可能會(huì)在一瞬間就突然消失。此時(shí)從外部看,它們很像是微小的黑洞。
順便說(shuō)一下,這種情況可能一直在發(fā)生,即使沒(méi)有粒子物理學(xué)家的參與。由于我們并沒(méi)有真正理解空間的量子性質(zhì),因此,有些人認(rèn)為空間確實(shí)產(chǎn)生了很多量子漲落。這些漲落發(fā)生在距離極短,以至于我們無(wú)法看見(jiàn)的地方,它們可能時(shí)不時(shí)就會(huì)創(chuàng)造出一個(gè)這樣的微小宇宙。