宇宙的質量是怎麼算出來的（宇宙的質量從何而來）

2023-05-19 06:34:27

這是關於人類存在的最基本問題之一——所有我們周身可見之物最開始是如何被創造的？總有很多很有哲學深度的回答，一些是和宗教掛鈎的，試圖在當代思維的框架中解構這個問題。然而今天，我要從一個不同的角度談談這個問題：

讓我們談談科學吧！

原來，現代宇宙學對這個問題的解釋之玄妙超出你的想像。其實我自己都不敢相信這些解釋，不過來自最新望遠鏡的觀測結果已經證明，我將要告訴你們的百分之百是真實的！

首先，你們想知道宇宙的質量從何而來嗎？是這樣的：質量是在宇宙大爆炸後10^-36秒的暴脹期，統一場論中量子對的對稱性破缺產生的潛能轉換而來。

這樣啊，嗯…

所以，到底這一連串聽不懂的詞語是什麼意思呢？其實只要你懂得一些物理學的概念，這句話並不難理解。

讓我們先來了解一下，為什麼「對稱」裡包含了「潛能」。原來，這是這種能量形成了我們周身的一切質量。這個理論實際上相當簡單。

這是一個建築物。這是一個磚、灰泥和木頭等材料的集合。這是一座包含有潛能的建築。這種能量來自一磚一瓦蓋成它的建築工人。之所以稱之為潛能，是因為只要建築物完整，它就不能被釋放出來。

然而，正如前文所言，一旦出現了合適的導火索，這種潛能就可以被釋放。一個小的爆炸源只要被放在適當的位置，就能使整棟大樓頃刻間化為一堆碎石。物理學家稱之為對稱破裂，因為你已經打破了大樓原有的「對稱性」，而將其內容變成無定形的堆砌。你已經產生了熵，進而釋放出潛能，我們可以通過聲音和斷壁殘垣觀察到這個過程。

好了，現在我們來把這個概念應用到早期的宇宙吧。

普朗克時期（大爆炸之後10^−43）的宇宙是一個酷熱又擁擠的地方。這種熱使得宇宙中四分之三的自然之力都被統一了：電磁，弱核力和強核力。這被稱為大統一理論（GUT）。這些力量的統一本身即是某種形式的對稱——其中就包括潛能。

現在我們繼續在時間中前行，來到宇宙大爆炸之後的10^−36秒。此時的宇宙在快速暴脹和冷卻。冷卻到一定程度，GUT的對稱便破裂了——強核力從電弱力中分離出來。這種對稱的破裂釋放出了可怕的能量。

這種能量是如此可怕，它可以驅使宇宙極其快速地暴脹，最終超過初始尺寸的10^60倍，而這一切僅在10^−32秒內完成！這短時間被稱為暴脹期。請注意，就像現在的宇宙暴脹一樣，這是空間本身的延伸，相對於周圍空間任何物體都無法超過光速——在這個過程中相對論始終成立。

現在我們來到了一個神奇的部分：暴脹會從暴脹能量中產生質量。

想要了解其中的原理，你必須忘記你在學校會學的一些知識：真空不是空的！

相反地，真空中充滿了粒子和反粒子，這些粒子只能存在非常短的時間。它的物理學理論基礎是海森伯測不準原理。這就表示你可以違反物理學的神聖教義——能量守恆原理——但是根據公式Δt=ℏΔE，這只能在一個極短的時間內。ℏℏ是普朗克常數，一個非常小的值。

因此，真空能成對產生一個粒子和一個反粒子，但是他們被管得很嚴：他們必須在很短時間內再次湮滅。充滿能量的真空能產生大量的粒子。現在真空已經沒有很多能量，但我們仍能通過一些實驗來檢測到這種成對產生，比如卡什米爾效應。

然而問題的關鍵在於，當暴脹發生時，「非常短的時間」並不真的那麼短——它幾乎與整個宇宙的壽命相當！因此，真空裡充滿了成對產生的粒子。記住，粒子和反粒子在任何方面都是相反的——除了質量。他們的質量都是正的。因此在現實中，成對產生是從真正的虛空中產生了質量。

通常這種質量會湮滅成為能量，然後所有一切會被遺忘。然而，當暴脹發生時，如果有兩個在短時間內將一起再次湮滅的粒子會移動得距離彼此非常非常遠。他們如果找不到自己的靈魂伴侶反粒子，便不能湮滅。於是乎，他們便留下成為真實有形的質量，不再是海森伯的量子想像中虛構出來的事物。

如此一來，量子波動就被凍結，質量從能量暴脹中被有效地創造出來。這個過程中預測出的擾動頻譜幾乎與普朗克在CMB中測出的完全吻合。這就是著名的Harrison-Zel』dovich頻譜，譜指數ns=1，由於暴脹結束時產生的影響，其真實值應該會略低於這個值。普朗克測試得到的是ns=0.97。這是一個強有力的驗證，表明這種聳人聽聞的想法居然是真的！