想像一下，你手中有一片宇宙中最完美的真空。你抽走了每一顆原子，屏蔽了每一絲光線，它空無一物，達到了近乎絕對的「無」。按照我們經典世界裡的直覺，這裡應該萬籟俱寂、永恆不變。然而，在量子世界中，這片真空卻是「沸騰」的海洋，它並不「空」，而是充滿了量子漲落，甚至可以從中產生真正的粒子。這雖然聽起來像是魔法，但卻是現代物理學裡一個經過嚴格推導的重要預言——也就是所謂的宇宙學粒子產生現象。
最早在1970年，物理學家 L. Parker就對此開展了奠基性研究。要想理解這個現象，我們得靠量子理論和廣義相對論這兩大現代物理的支柱來解答。
「不空」的真空：量子場與漲落
一提到「真空」，我們常會聯想到絕對的虛無。然而，在物理學中，真空遠非一無所有。
量子場論告訴我們，真空實際上是所有量子場的「基態」——你可以把它想像成一個能量最低的可能狀態。但微觀世界的規則與日常經驗不同，海森堡不確定性原理指出，我們無法同時確定一個粒子的能量和存在時間。這種不確定性就會導致真空中不斷發生著能量的短暫漲落。
正是這些漲落，使得真空中會瞬間湧現出粒子-反粒子對（例如電子與正電子），它們迅速相遇並相互湮滅，歸還「借用」的能量。這些短暫存在的粒子被稱為「虛粒子」，它們並非幻覺。在量子電動力學中，科學家就準確描述了真空中如何不斷產生和湮滅虛電子-正電子對以及光子的過程。
不過要注意，虛粒子與我們日常所說的實粒子（如原子、分子等）有本質區別。虛粒子更像是一種數學描述，代表著量子場的傳播，無法被直接觀測。但正是這種無處不在的量子漲落，揭示出真空實際上蘊藏著巨大的潛能——它是一片看似空無、卻不斷沸騰著的「量子泡沫」。
那麼問題來了，這些虛粒子有可能轉變為真實的粒子嗎？答案是肯定的，而其關鍵在於時空本身的結構。
動態的時空：廣義相對論的角色
愛因斯坦的廣義相對論徹底改變了我們對引力的理解：引力不再是傳統意義上的「力」，而是時空彎曲的幾何效應。
我們可以把時空想像成一張巨大的彈性膜，天體放在膜上就會使其周圍區域產生彎曲，進而影響其他物體的運動。
更重要的是，時空本身並不是靜止的。宇宙學觀測證實：宇宙正在膨脹，時空結構本身也在拉伸。這種膨脹不是物質在某個固定空間中擴散，而是空間尺度本身隨時間增大。除此之外，時空還會產生振動，形成所謂的引力波。
而粒子由「虛」向「實」轉變的秘密就在這裡：當時空處於動態（比如膨脹），虛粒子轉變為實粒子就成為可能。
從無到有：實粒子如何從「虛無」中「誕生」？
在平坦且靜態的時空中，虛粒子對總是剛冒出來就快速湮滅，整體看來並沒有凈粒子產生。但如果時空本身在劇烈變化，比如宇宙快速膨脹，情況就完全不同了。
這是為什麼呢？讓我們想像一下：當一對虛粒子出現的瞬間，時空恰好急劇拉伸，那麼這兩個粒子就有可能被迅速拉開很遠，以至於它們來不及相遇湮滅。隨著拉開的距離越來越大，它們之間的相互作用變得微乎其微，最終「分道揚鑣」。於是，能夠被觀測到的實粒子，便從真空中誕生了！
這看起來似乎違背了能量守恆定律？並非如此。能量守恆源於時間平移對稱性（即物理規律不隨時間變化），但在膨脹的宇宙中，這一對稱性並不成立。因此，時空膨脹本身提供了粒子產生所需的能量。
Parker所發現的這一機制，就被稱為「宇宙學粒子產生」。它並不限於某種特定粒子，而是適用於所有量子場。這個現象在宇宙學中有著豐富的應用。不過也有個特殊情況，在宇宙極早期的暴漲階段——一段指數式急劇膨脹的時期，量子場的真空卻有所不同。科學家發現可以定義一個特殊的真空態，稱為Bunch-Davies真空。這個真空態在暴漲時期不發生粒子產生的現象，這是因為暴漲時空的對稱性比一般膨脹宇宙的更大，所以穩定的真空態就可行了。在宇宙學中，Bunch-Davies真空態已成為研究早期宇宙量子過程的基石。
與此類似的現象，還有霍金輻射：黑洞邊界處的強引力場也會導致粒子產生。
這些現象共同表明，在彎曲時空中，量子漲落能夠催生真實粒子，這是彎曲時空量子場論的一個基本特徵。在膨脹宇宙背景中，這可以通過一種數學上的變換——保辛變換(Bogoliubov變換)來描述宇宙學粒子產生現象，正因如此，物理學家Robert Wald認為，在一般的彎曲時空中，「粒子」這一概念本身需要重新審慎定義。
量子力學的新挑戰：幺正性疑難
宇宙學粒子產生對量子力學的基礎提出了一個深刻問題：幺正性。在傳統量子力學中，幺正性保證概率守恆和信息不丟失——系統的初始狀態與未來狀態之間總是存在確定的對應關係。
然而在宇宙膨脹過程中，量子場從「無粒子」的初始真空態，演化到「有實粒子」的末態，看上去像是憑空產生了信息，這顯然違背了幺正演化。這也一度讓該理論陷入爭議。
2015年，物理學家Ivan Agullo和Abhay Ashtekar通過巧妙的數學重構解決了這一難題。他們指出，在動態彎曲時空中，我們需要擴展幺正性的傳統定義。只要採用更廣義的框架，整個演化過程仍然滿足信息守恆。2023年，物理學家Musfar Muhamed Kozhikkal和Arif Mohd通過幾何量子化方法構造了廣義幺正意義下的態演化算符，進一步確認了彎曲時空中量子場論需要採用廣義幺正性。他們的工作不僅調和了粒子產生與量子力學之間的衝突，也推動了彎曲時空量子場論的進一步發展。我們現在可以放心地說，宇宙學粒子產生是「廣義幺正」的。
重新理解「無」與「有」
從真空中虛粒子的瞬息漲落，到早期宇宙中星系形成的原初種子，再到黑洞邊緣的霍金輻射，這些現象共同描繪出一幅全新的物理圖景：真空遠非虛無。它是量子場的最低能態，是一片看似空無、卻充滿潛力的原初之海。
而宇宙本身的動態特性正為釋放這種潛能提供了鑰匙。正如Parker的開創性工作所揭示的那樣，粒子可以從真空中誕生，時空結構本身也參與並塑造了物質的創生。
這不僅深刻改變了我們對「無」和「有」的理解，也將量子力學、廣義相對論和宇宙學更緊密地聯結在一起，繼續推動著人類對自然本質的探索。
當你下一次仰望星空，或許可以想像：我們眼前的璀璨星系、腳下的藍色地球，乃至我們自己，都起源於那片看似虛空、卻蘊藏無限生機的量子之海。
出品：科普中國
作者：劉城伍（山東大學物理學院在讀理論物理博士）
監製：中國科普博覽
