量子引力理論試圖將愛因斯坦的廣義(yi) 相對論與(yu) 量子力學結合在一起。

　　無論我們(men) 如何觀察宇宙，是在低溫下還是在極端高能量之下，是地球附近還是可觀測宇宙的最遠處，我們(men) 都會(hui) 觀察到相同的物理法則。基本常數相同，引力表現相同，量子轉換與(yu) 相對論效應也完全相同。在可觀測宇宙中的任意時間點上，廣義(yi) 相對論（主宰引力）與(yu) 量子場理論（主宰其它已知力）的應用形式似乎都與(yu) 地球上別無二致。但情況一直如此嗎？宇宙中的量子場有沒有可能曾經不同過？甚至一度根本沒有量子場？眾(zhong) 籌網站Patreon的支持者克裏斯•肖（Chris Shaw）很想知道這些問題的答案，於(yu) 是他問道：

　　“宇宙中的第一批量子場是何時形成的？它們(men) 是自從(cong) 宇宙大爆炸以來就一直存在嗎？會(hui) 不會(hui) 甚至比這更早、形成於(yu) 大爆炸之前的膨脹期呢？”

　　量子場甚至在我們(men) 意想不到的條件下也有可能存在。對於(yu) 量子場，我們(men) 目前掌握了如下信息。

圖為(wei) 一根長條形磁鐵的磁場示意圖。這根磁鐵是一個(ge) “磁偶極子”，即磁場的南極和北極結合在了一起。即使將外部磁場移除，這類永磁體(ti) 仍可保留磁性。如果將磁鐵折成兩(liang) 半，南北磁極並不會(hui) 隨之分離，而是會(hui) 形成兩(liang) 根磁鐵，每根都有各自的南極和北極。

　　說到“場”，大多數人的認知也許與(yu) 19世紀的科學家相同：假如有一個(ge) 電荷或一塊永磁體(ti) ，它就會(hui) 在空間中的各個(ge) 方向上形成一個(ge) 圍繞自身的場。無論有沒有其它粒子受其影響，這個(ge) 場都存在。但你可以通過各類電荷與(yu) 場的相互作用，探測到場的存在（以及場可以影響的對象與(yu) 影響方式）。

　　例如，鐵粉在磁場中可以按照磁場方向排列開來。電荷在電場中（或者在磁場中運動時）會(hui) 在力的作用下加速，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 場的強度。

　　在愛因斯坦和牛頓的概念體(ti) 係中，就連引力也可以被描述成場，任何形式的物質或能量都會(hui) 受其在空間中的位置上受到的累積引力效應影響，從(cong) 而決(jue) 定了它未來的運動軌跡。

在愛因斯坦和牛頓的引力概念中的任何參考係中，都可以建立起引力場模型。如果隻看經典理論體(ti) 係，場的概念雖然十分有用，但並不完整。

　　然而，這種可視化描述雖然很有用、也很常見，但隻有在非量子設定下才能成立。它很好地體(ti) 現了經典場的運作機製，但我們(men) 所在的現實與(yu) 量子息息相關(guan) 。按照我們(men) 對經典物理世界的感知，場是平滑且連續的，並且從(cong) 理論最小值到理論最大值這條“譜線”上，場的特性在任意一點均存在。然而，在量子宇宙中，這一切全都行不通。

　　量子場不僅(jin) 存在於(yu) 源頭周圍（如質量或電荷），而是無處不在。如果有質量（對應引力）、電荷（對應電磁）、一個(ge) 帶非零弱超荷的粒子（對應弱核力）、或者一個(ge) 色荷（對應強核力），它們(men) 便會(hui) 表現為(wei) 場的激發態，但無論這些場源是否存在，場的存在都不受影響。不僅(jin) 如此，這個(ge) 場還是量子化的，並且其零點能量（或者說它可以擁有的最低能量水平）可以為(wei) 零值。

如今，費曼圖被用於(yu) 計算強核力、弱核力和電磁力之間的每一種基本相互作用，包括在高能、低溫或凝聚狀態下。即使沒有粒子，費曼圖也依然存在，代表了真空中的量子場。

　　換句話說，我們(men) 所理解的沒有電荷、沒有質量或任何場源的“真空”並非真的空無一物，而是擁有上述量子場。這就意味著，空間中也充滿了場的量子性質與(yu) 海森堡不確定性原理結合產(chan) 生的量子波動，占據了每一種可能的量子模式和量子態（這些量子態被占據的概率是特定的、並且從(cong) 理論上來說是可以計算出來的）。

　　你也許會(hui) 對此持懷疑態度，心想：“那又怎麽(me) 樣呢？量子場理論隻是一種計算方法罷了，又不能驗證這些量子場在真空中存在與(yu) 否。”但事實上，我們(men) 可以利用它來做實驗。取兩(liang) 塊平行的導電板，放置在你能製造出的最完美的真空中，其中不存在任何物質和任何種類的場源，隻有真空自帶的量子場，包括最基本的量子電磁場。

　　在這兩(liang) 塊導電板之外，這些量子場的所有可能狀態都可以存在，對量子模式沒有任何限製。但在導電板內(nei) 部，隻有一部分量子場可以存在，因為(wei) 有些邊界條件阻止了特定電磁波的產(chan) 生，導致量子場的部分激發態也無法存在。就算沒有任何電磁波來源，這些激發場態在板內(nei) 外也是不同的，從(cong) 而在板上產(chan) 生了一股叫做卡西米爾力的合力。

圖為(wei) 卡西米爾效應的示意圖。可以看出，兩(liang) 塊板內(nei) 部和外部所受的力（以及電磁場狀態）是不同的。由於(yu) 板外可以存在的量子模式比板內(nei) 要多，兩(liang) 板之間會(hui) 形成淨吸引力。圖為(wei) 卡西米爾效應的示意圖。

　　卡西米爾力最早於(yu) 1948年由亨德裏克•卡西米爾（Hendrik Casimir）提出預測，但一直到1997年，才在實驗中被證實探測到。物理學家斯蒂夫•拉莫雷（Steve Lamoreaux）成功完成了實驗，得出的結果處於(yu) 卡西米爾預測值的5%範圍內(nei) 。這些量子場的確在空間中無處不在。此次實驗不僅(jin) 證明了量子場的存在，還顯示了這些場的影響強度。

　　物理學家想弄清的一個(ge) 概念是，真空中的量子場是否全部由我們(men) 所知的量子場（即屬於(yu) 標準模型和與(yu) 引力關(guan) 聯的量子場）構成，還是也包含其它量子場。例如，以下這些來源也可能產(chan) 生量子場：暗物質的來源、產(chan) 生暗能量的現象或場、宇宙膨脹期殘留的場、大一統理論體(ti) 係形成的新場或新相互作用、或者標準模型之外的任何全新物理現象（包括但不限於(yu) 新的力或粒子等等）。

已知量子場在真空中所占的分量目前還無法真正計算出來，但從(cong) 理論上來說，假如擁有足夠強大的計算機，這是可以計算出來的。目前我們(men) 還不清楚，我們(men) 所了解的宇宙是否全部由已知的場、粒子和相互作用構成。

　　雖然在我們(men) 觀察到的情況下，無論是在粒子加速器中、還是在宇宙大爆炸可觀測的最早階段，物理法則都不會(hui) 變化，但量子場的性質確保了量子耦合的強度（與(yu) 粒子在量子場中感受到的力相一致）會(hui) 作為(wei) 能量和溫度的函數發生改變。

　　在物理學中，我們(men) 將這稱作“耦合常數的跑動”。你可以這樣理解：這些虛擬量子粒子占據的激發態模式比低能基態模式要多。雖然這並不意味著在宇宙早期的高能量時期、主宰宇宙的量子場與(yu) 今日有所不同，但它也說明了某些事情：這些耦合常數也許曾在某一時刻統一過，說明強核力、弱核力和電磁力也許都源自同一套大一統理論。在這套理論之下，所有力都實現了統一。

如果將耦合常數表示為(wei) 雙對數坐標軸上的函數，它們(men) 就會(hui) 如左圖所示、彼此失之交臂。但如果加入一個(ge) 符合預測的超對稱粒子，這幾個(ge) 常數就會(hui) 在1015GeV（十億(yi) 電子伏特）處相交，即傳(chuan) 統的大一統能量尺度。

　　這套框架不僅(jin) 提供了其它量子場存在的可能性、揭露了這些量子場在高能量下的影響，還說明宇宙中也許存在一套“終極大一統理論”、或者說“萬(wan) 物理論”。假如這種狀態真的存在，你可以將其想象為(wei) 恢複對稱性的終極形式，就像把一個(ge) 球放在行星上最高山的山頂一樣。

　　假如對稱被打破，球就會(hui) 滾下山、落入沿路遇到的某個(ge) 山穀的最低點。但如果你把球放回山頂，多試幾次，盡可能讓球取得平衡，這個(ge) 球不一定每次都會(hui) 沿同一條路徑滾落，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 以下因素：初始條件的微小差別，微小的、甚至量子級別的波動，宇宙膨脹或冷卻的速度、以及新場耦合的存在與(yu) 否。

當對稱性恢複時（頂部的黃球），一切都是對稱的，各狀態的優(you) 先級相同。但當對稱性在低能量下被打破時（底部的藍球），各方向的自由度就不再相同了。在不同的量子場中，球滾入的“最低點”也可能有所不同。

　　對稱性一旦被打破，最後可能擁有多種最終態。假如我們(men) 將時間撥回最初的最初，也不能保證每次都能演化出相同的物理法則和基本常數。就像我們(men) 相信地球上出現人類純屬運氣使然一樣，宇宙如今擁有這些物理法則和常數，也可能隻是碰巧“中獎”而已。

　　不過，當我們(men) 回溯到宇宙大爆炸的最早期階段，並沒有證據顯示，宇宙曾經達到過上述理論大一統（以及恢複對稱性）所需的溫度。當對稱性被打破時，就會(hui) 產(chan) 生粒子；如果這類大一統真的發生過，就應當會(hui) 產(chan) 生大量磁單極子。而這種粒子在宇宙中顯然不存在。如果我們(men) 如今所知的量子場源自更早的時期，該時期一定處於(yu) 宇宙大爆炸之前。

　　這是否意味著，量子場可能是在宇宙膨脹期形成的呢？

圖為(wei) 多個(ge) 各自獨立的宇宙的示意圖。這些宇宙分布在一個(ge) 不斷擴張的宇宙“海洋”中，彼此之間不存在任何因果關(guan) 係。在多重宇宙的背景下，有可能出現多個(ge) 不同的“口袋宇宙”，但沒人知道這些宇宙中的物理法則或基本常數是否不同於(yu) 我們(men) 所在的宇宙。

　　有可能，但我們(men) 無法確定。根據我們(men) 推斷出的、宇宙膨脹期的能量上限，膨脹期的能量也許不曾達到過形成量子場所需的水平。雖然膨脹期模型需要引入多重宇宙的概念才能成立，但“不同‘口袋宇宙’中的常數或法則也不同”的猜測還是太偏臆斷了。

　　不過有一點是肯定的：某些類型的量子場在膨脹期一定存在。它們(men) 和如今的量子場也許相同，也許不同，也許超出了我們(men) 所知的量子場範圍，但無論如何都一定存在。我們(men) 是如何得知這一點的呢？這是因為(wei) ，我們(men) 如今在宇宙中觀察到的波動與(yu) 根據膨脹期間存在的量子場波動預測出的結果完全一致。

宇宙膨脹期間的量子波動的確被拉長了，但也導致了總能量密度的波動。這些場的波動導致早期宇宙中的密度分布不均衡，並因此導致了宇宙微波背景中的溫度波動。從(cong) 膨脹情況來看，這些波動一定是絕熱的（即與(yu) 外界沒有熱量和粒子交換）。

　　這些波動一般發生在微觀尺度的量子級別上。在宇宙膨脹期間，這些波動在整個(ge) 宇宙範圍內(nei) 被拉長，轉化成了宇宙大爆炸開始時的溫度與(yu) 密度波動，並在宇宙中留下了不可抹除的印記。我們(men) 如今能觀察到這些波動和它們(men) 造成的結果，說明這些量子場在宇宙膨脹期間是存在無疑的。

　　時空已經存在了多久，某些類型的量子場就必定存在了多久。但在膨脹期的最後一刻之前，宇宙中究竟發生了什麽(me) ，我們(men) 將永遠無從(cong) 得知，因為(wei) 這已經超出了可觀測宇宙的範圍。由於(yu) 缺少證據，我們(men) 隻能不斷探索已知信息的極限，並將它們(men) 與(yu) 宇宙中殘留的信息進行匹配。雖然我們(men) 開展的推測很有意思、也很符合直覺，但真相如何，我們(men) 將永遠無從(cong) 知曉。


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