從宇宙微波背景到星系團(tuán)、再到單個(gè)星系，這些觀測(cè)結(jié)果都需要由暗物質(zhì)來(lái)解釋。

新浪科技訊 北京時(shí)間3月15日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，我們對(duì)廣闊宇宙中的未知事物越是好奇，就會(huì)浮現(xiàn)出越多的未解之謎。對(duì)任何事物本質(zhì)的探索最終都將把我們引向同一類謎團(tuán)：宇宙的終極本質(zhì)和起源、以及宇宙中的萬(wàn)物。但無(wú)論我們往回追溯得多久，總是規(guī)避不掉同一個(gè)問(wèn)題：一旦倒退回到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)之前，我們的“起點(diǎn)”也許就不復(fù)存在了。

這也許是最最重要的問(wèn)題之一，因?yàn)樗雴?wèn)的不僅是萬(wàn)物來(lái)自何處，還問(wèn)了萬(wàn)物最初是如何出現(xiàn)的。到目前為止，科學(xué)都沒(méi)能為我們解答這個(gè)難題。

我們?cè)谟^察宇宙時(shí)，可觀察到的全部范圍、甚至將龐大的未知領(lǐng)域考慮在內(nèi)，都指向一個(gè)統(tǒng)一的場(chǎng)景。宇宙由物質(zhì)（而不是反物質(zhì)）構(gòu)成，無(wú)論何時(shí)、何處，都遵循同一套物理法則。就我們所知，宇宙開(kāi)始于138億年前一次熾熱的大爆炸。宇宙由廣義相對(duì)論主宰，體積在不斷膨脹，溫度在持續(xù)下降。暗能量和暗物質(zhì)占據(jù)了宇宙的大部分，其余則由普通物質(zhì)、中微子和輻射組成。

即使在空無(wú)一物的太空中，基本相互作用場(chǎng)自帶的量子波動(dòng)也依然存在。在宇宙初期的暴脹過(guò)程中，這些波動(dòng)會(huì)在宇宙中被大幅拉伸，形成如今仍能觀測(cè)到的溫度波動(dòng)。

如今，宇宙中充滿了星系、恒星、行星和重元素，并且在至少一顆星球上存在擁有先進(jìn)技術(shù)的智慧生命。但這些結(jié)構(gòu)并非亙古有之，而是在宇宙演化的過(guò)程中逐漸出現(xiàn)的。作為一項(xiàng)重大的科學(xué)飛躍，20世紀(jì)的科學(xué)家倒推出了宇宙的時(shí)間線，描述了宇宙是如何從缺少?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)、除了氫氦之外別無(wú)一物的起初，逐漸發(fā)展到如今遍布大型天體結(jié)構(gòu)的模樣的。

如果讓我們從今日出發(fā)、讓時(shí)光倒流，追尋每一個(gè)結(jié)構(gòu)和每一個(gè)構(gòu)件的起源。每次得到一個(gè)答案，我們都可以進(jìn)一步追問(wèn)：“可這究竟是從哪來(lái)的呢？這又是如何出現(xiàn)的呢？”直到最終實(shí)在答無(wú)可答：“不知道，至少目前為止還沒(méi)有頭緒。”屆時(shí)我們就可以對(duì)手頭掌握的情況進(jìn)行復(fù)盤(pán)，然后追問(wèn)下去：“這究竟是如何出現(xiàn)的？難道是從一片虛無(wú)中浮現(xiàn)的嗎？”

那我們就開(kāi)始吧。

圖為在宇宙膨脹過(guò)程中、宇宙結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的模擬圖像，描繪了引力在富含暗物質(zhì)的宇宙中一連數(shù)十億年的增長(zhǎng)過(guò)程。圖中的細(xì)絲和團(tuán)簇主要在暗物質(zhì)作用下形成，普通物質(zhì)起到的作用很小。

如今的生命全都由復(fù)雜分子構(gòu)成，這些分子又由元素周期表中的原子構(gòu)成，與宇宙中所有普通物質(zhì)所用的是同一批“原材料”。但宇宙并非生來(lái)就有這么多原子，而是在經(jīng)歷了多輪恒星誕生和死亡、每一次核反應(yīng)的產(chǎn)物不斷循環(huán)利用后，才逐漸達(dá)到今天的局面。若沒(méi)有這一過(guò)程，就不可能出現(xiàn)行星和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

要想形成現(xiàn)代的恒星和星系，首先需要引力將較小的星系和恒星團(tuán)拉攏到一起，形成更大的星系，激發(fā)新恒星的形成。這就需要該區(qū)域借引力之手收集一定的質(zhì)量；這就需要暗物質(zhì)提前圍攏、形成一個(gè)環(huán)，防止恒星形成過(guò)程中將這些物質(zhì)反彈出去；這就需要普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和輻射之間達(dá)到一定的平衡，形成宇宙微波背景，需要較輕元素在大爆炸中形成、并且已經(jīng)達(dá)到所需的豐度和分布規(guī)律；這就需要宇宙產(chǎn)生初始波動(dòng)、或者說(shuō)密度上的瑕疵；而這就需要找到這些瑕疵的形成方式、以及初始暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的形成方式。

這些都是宇宙大爆炸初期所需的“基本原料”。除此之外，我們還需要物理法則、時(shí)空、以及物質(zhì)和能量，這些原料都需要以某種方式實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有才行。

所以簡(jiǎn)而言之，要想回答宇宙能否從無(wú)到有的問(wèn)題，首先要揭開(kāi)以上這些未解之謎才行。

超新星爆發(fā)殘余（左圖）和行星狀星云（右圖）都可以將恒星中經(jīng)過(guò)“焚燒”的重元素回收到星際間介質(zhì)中、供下一代恒星和行星所用。重元素對(duì)生命的形成不可或缺，很難想象假如宇宙中缺少這些重元素、智慧生命要如何形成。

要想弄清宇宙中物質(zhì)的量為何多于反物質(zhì)，我們必須回溯到宇宙的最初階段，也是物理法則充滿不確定性的一個(gè)階段。就我們所知，物理法則在物質(zhì)和反物質(zhì)之間存在一定意義上的對(duì)稱關(guān)系：我們創(chuàng)造或觀察到的每個(gè)反應(yīng)，用等量的反物質(zhì)也可以實(shí)現(xiàn)。雖然在宇宙極其熾熱和致密的初始狀態(tài)下、物質(zhì)和反物質(zhì)的量可能同樣豐富，但宇宙后來(lái)一定通過(guò)某種方式、形成了如今物質(zhì)/反物質(zhì)不對(duì)稱的局面。

這一結(jié)果有多種解釋，不過(guò)我們并不確定早期宇宙真正經(jīng)歷的是哪一種。無(wú)論是何種情形，都離不開(kāi)以下三個(gè)要素：

1、一系列失衡條件，這在不斷膨脹和冷卻的宇宙中會(huì)自然而然地發(fā)生；

2、與重子數(shù)量相違背的相互作用；

3、產(chǎn)生足夠的C與CP破壞（C指電荷共軛，P指宇稱）、以此形成足量的物質(zhì)/反物質(zhì)不對(duì)稱性。

標(biāo)準(zhǔn)模型雖具備上述全部要素，但還不夠。如果將剛開(kāi)始具有物質(zhì)/反物質(zhì)對(duì)稱性的宇宙視為“空無(wú)一物”，那么宇宙一定是從無(wú)到有、憑空創(chuàng)造出了后來(lái)的各種事物，盡管我們并不明白這究竟是如何發(fā)生的。

如果具備合適的大統(tǒng)一理論特性，數(shù)量相等、完全對(duì)稱的物質(zhì)和反物質(zhì)玻色子也可以形成在現(xiàn)今宇宙中觀察到的物質(zhì)/反物質(zhì)不對(duì)稱局面。這種解釋算不上完美，但我們也不確定真相究竟如何。

產(chǎn)生暗物質(zhì)也有許多可行的方式。我們從大量測(cè)試和搜索工作中了解到，無(wú)論暗物質(zhì)究竟為何物，都不可能含有標(biāo)準(zhǔn)模型中的任何粒子。不管暗物質(zhì)的真正本質(zhì)是什么，都涉及到我們目前尚不了解的物理法則。但創(chuàng)造暗物質(zhì)的方法倒是有很多，比如在熾熱的早期宇宙中在熱作用下形成，但后來(lái)并未徹底湮滅，而是以穩(wěn)定狀態(tài)一直保留了下來(lái)；或者在宇宙膨脹和冷卻的過(guò)程中通過(guò)物相變化自發(fā)形成；或者以新型中微子的形式出現(xiàn)；又或者是一種單純的引力現(xiàn)象，這種方式可以形成超大質(zhì)量粒子（比如WIMPzilla，巨型弱相互作用大質(zhì)量粒子）。

但如今的宇宙就算沒(méi)有暗物質(zhì)，似乎也過(guò)得挺好，那暗物質(zhì)存在的意義又是什么呢？在此前從未有過(guò)暗物質(zhì)的情況下，暗物質(zhì)的憑空誕生一定有其原因。無(wú)論暗物質(zhì)通過(guò)上述哪種途徑產(chǎn)生，都需要耗費(fèi)能量。這些能量又從哪里來(lái)？根據(jù)宇宙暴脹理論（關(guān)于宇宙大爆炸起源的最流行理論），暗物質(zhì)也許還真是憑空產(chǎn)生的。關(guān)于這一點(diǎn)，我們還需要多解釋幾句。

說(shuō)到宇宙大爆炸初期，你腦海中想到的一定是某種極為稠密、高能、并且極其均勻一致的狀態(tài)。如果有人問(wèn)起：“這究竟是如何達(dá)成的？”我們一般有兩種對(duì)策。一種可以借用Lady Gaga的歌名來(lái)回答——《天生如此》：宇宙生來(lái)就具有這些特性，我們把它們稱作“初始條件”就好，不需要進(jìn)一步解釋。但在理論物理學(xué)家看來(lái)，這種解釋無(wú)異于舉手投降。或者我們也可以采用理論物理學(xué)家最擅長(zhǎng)的做法：嘗試建立一套能夠解釋這些初始條件的理論機(jī)制，梳理出異于標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)結(jié)果，再對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行度量。

早期宇宙中的過(guò)度致密區(qū)域會(huì)隨著時(shí)間的流逝不斷“生長(zhǎng)”，但該過(guò)程一方面受自身初始大小限制、另一方面也受高能輻射限制（防止天體結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過(guò)快）。第一批行星過(guò)了數(shù)千萬(wàn)年、甚至數(shù)億年才出現(xiàn)，但早在此之前，宇宙中就已經(jīng)存在物質(zhì)團(tuán)塊了。

宇宙暴脹理論就是采用第二種方法得到的結(jié)果，極大改變了我們對(duì)宇宙形成方式的認(rèn)知。該理論并未將“熾熱致密”的前身推斷為一個(gè)無(wú)限熾熱、無(wú)限致密的奇點(diǎn)，而是指出：“也許在大爆炸發(fā)生前的一段時(shí)期內(nèi)，空間本身的能量密度極大，導(dǎo)致宇宙以極快的速度迅速暴脹。在暴脹結(jié)束后，這些能量轉(zhuǎn)化成了物質(zhì)、反物質(zhì)和輻射，我們所熟知的大爆炸就是這么產(chǎn)生的。”

在以這種方式形成的宇宙中，不僅溫度統(tǒng)一、空間均勻，還能預(yù)見(jiàn)到我們?nèi)缃裼^察到的密度波動(dòng)。憑借這一自然過(guò)程，整個(gè)可觀測(cè)宇宙都從空無(wú)一物的空間中就此產(chǎn)生，并逐步演化出了我們?nèi)缃袼?jiàn)的各種天體結(jié)構(gòu)。

這應(yīng)當(dāng)是“宇宙如何從無(wú)到有”這個(gè)問(wèn)題最好的解釋了，但并非所有人都愿意接受這種說(shuō)法。在許多人看來(lái)，宇宙中有時(shí)空、有物理法則、有基本常數(shù)、還有空間自帶的非零場(chǎng)能量，似乎與“空無(wú)一物”的概念相去甚遠(yuǎn)。畢竟我們完全可以想象出一個(gè)在空間之外的地點(diǎn)、一個(gè)超越時(shí)間限制的時(shí)刻、一組不存在任何實(shí)際物理限制的條件。并且這些想象至少在哲學(xué)上是完全說(shuō)得通的。

我們?nèi)缃裼^察到的宇宙始自一場(chǎng)大爆炸，即某種極其熾熱、致密、均勻、不斷膨脹的狀態(tài)，具有一系列特定的初始條件。但要想弄清大爆炸究竟如何產(chǎn)生，我們千萬(wàn)不能假定大爆炸就是宇宙的絕對(duì)開(kāi)端，也不能默認(rèn)“我們無(wú)法預(yù)測(cè)的事情必定無(wú)法解釋”。

但哲學(xué)層面上的“虛無(wú)”和物理定義的“虛無(wú)”之間還存在區(qū)別。2018年的一篇論文指出，目前對(duì)于“虛無(wú)”已經(jīng)有了四種科學(xué)定義，并且在對(duì)應(yīng)的情境下，每種都很合理：1、一段不存在任何我們所理解的“物體”的時(shí)間；2、空無(wú)一物的物理空間；3、在能達(dá)到的最低能態(tài)上空無(wú)一物的時(shí)空；4、將整個(gè)宇宙和主宰宇宙的各種法則移除后剩下的一切。

如果我們使用前兩種定義，那么完全可以說(shuō)“宇宙是憑空產(chǎn)生的”，用第三種就不行。對(duì)于第四種，我們掌握的信息還不夠多、無(wú)法做出判斷。除非我們能找到一套新的物理理論、能夠描述宇宙之外和目前物理法則范圍之外的事物，從物理上就無(wú)法定義什么叫真正的“虛無(wú)”。

量子尺度上的時(shí)空波動(dòng)會(huì)在宇宙暴脹過(guò)程中被大幅拉伸、跨越整個(gè)宇宙，形成密度瑕疵和引力波。雖然暴脹過(guò)程中的太空從很多層面上都可以被視作“空無(wú)一物”，但并非人人都同意這種說(shuō)法。

在物理學(xué)層面上，很難弄清什么叫絕對(duì)的虛無(wú)。到底什么叫“時(shí)間和空間之外”？時(shí)間和空間又怎樣才能以一種合理的、可預(yù)見(jiàn)的方式從無(wú)到有、憑空出現(xiàn)？如果沒(méi)有時(shí)空，就無(wú)法定義時(shí)間或地點(diǎn)，那么時(shí)空又怎樣才能在特定的時(shí)間或地點(diǎn)上出現(xiàn)？主宰量子的法則又要從哪里來(lái)呢？

如果我們接受了物理學(xué)上對(duì)“虛無(wú)”的定義，那么我們?nèi)缃袼倪@個(gè)宇宙在很大程度上的確可以說(shuō)是憑空產(chǎn)生的。但如果將各種物理限制考慮在內(nèi)，這個(gè)最初的宇宙起源也就無(wú)從談起了。

然而，宇宙暴脹已經(jīng)抹去了可觀測(cè)宇宙出現(xiàn)前可能留下的全部證據(jù)。雖然想象是無(wú)限的，但我們只能在物理現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上、以及能開(kāi)展測(cè)試的前提下得出結(jié)論。無(wú)論其它想法在邏輯上是多么可行，都只能停留在思維層面而已。（葉子）