为了了解宇宙，路上读书给大家推荐一本书《极简宇宙史》。
上一期文章《对宇宙认识的描述，还是中国古人的思考最深刻》（点击蓝字阅读），带领大家来一场太空旅行。帮助大家从宏观上认识宇宙，这一次，我们把目光转向微观的量子世界。
1. 遁入量子世界
在探索宇宙之前，我们先去微观的量子世界探索一番。因为只有明白一些量子世界中的规则，我们才有机会理解宇宙到底是个什么东西。
量子力学就是描述微观物理世界的物理理论。我们知道，世间万物都由分子或者原子构成。
原子里面还可以再分，每一个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成，其中原子核占据了原子的绝大部分质量。除了氢原子之外，其他原子核里都有带正电的质子和不带电的中子。就这样，质子挨着中子组成原子核，周围再绕着电子，就成了世间万物的组成单位。
问题是，为什么会这样呢？既然电子并没有紧紧地粘在原子核上，甚至连原子核也不是密不可分的整体，那它们是如何保持结构稳定的呢？电子和原子核之间正负电荷互相吸引，这种吸引力叫做电磁力。
不过，假如你能无限缩小，缩到比原子还小，可能会对电磁力有更深刻的了解。在这个尺度，你不但能看到原子核和电子，还能看到许多闪闪发亮的小颗粒，它们活跃在两个相互吸引的物体之间，把二者拉在一起。
这些小颗粒叫做虚光子，顾名思义，它们生于虚空，又很快消散在虚空之中，它们存在的唯一目的就是携带电磁力，充斥着虚光子的地方会形成一个电磁场。
这就是量子的世界。
你决定继续进原子核里面看看，这里有带正电荷的质子，它里面竟然还有三个长得很像但又不完全一样的粒子，它们叫“夸克”。你盯着夸克仔细地观察一番，感觉它们似乎被一种奇怪的力束缚在一起。这是另一种量子场：强核力，而承载着这些力的量子被称为胶子。
为了方便理解，大家可以把质子想象成“牢房”，每个牢房里关着三个夸克“囚犯”，胶子就像是囚犯身上的“镣铐”，把它们绑在一起。除了质子之外，原子核里还有不带电的中子，它们也像“牢房”，只不过里面关的夸克类型不同罢了。照这么看，原子核就像一个大监狱，那谁又来维持各个牢房之间的稳定呢？答案就是承担“监狱守卫”的介子，它和牢房内部的胶子一起，靠强核力稳定着整个原子核。
既然有强核力，就有弱核力。强核力是夸克“监狱”的巡逻守卫，弱核力则是搞破坏的，这种力的携带者是W和Z玻色子，这两种粒子会改变夸克的性质，帮它们“越狱”。这样一来，原子核就会瓦解，质子和中子飞散开来，直到再次稳定，形成新的原子核。这个过程就是放射性元素的衰变。
这些作用力和粒子是如何塑造我们的宇宙呢？
2. 物质与能量的循环
我们继续量子世界之旅，这时，一个基本粒子出现在你身边，像一个圆滚滚的篮球，在你前面不远处有个球筐。于是你捡起这个粒子，“嗖”地一下投篮，这个粒子在空中划出一条弧线，技术不错，进球了！
这个粒子到底是怎样掉进球筐的呢？大家肯定会说，我眼看着它进去的，就那样进的呗！然而无论你用怎样精确的语言描述粒子的运动轨迹，都是不全面的。因为正确答案应该是，这个粒子会经历从你手里到球筐之间的所有可能路径，包括绕世界一圈再进球这种情况。
这就是量子世界的另一个奇特之处，粒子的自由运动有无限种可能。不过这些粒子非常害羞，只要你盯着它看，它就只会表现出一种固定的形态。你眼睛一移开，它就又会回到那种无限可能的状态。
也就是说，如果你闭着眼睛把粒子投出去，在那一刹那，它就开始迅速自我复制，它的身影会马上充满从你的手到球筐之间的所有时空。不难想象，在充满各种粒子的宇宙中，从来没有真正意义上的“真空”，在我们没注意到的某个角落，大量的粒子不断生成和湮灭，填塞着所有时空，直到被你注意到为止。
你在量子世界里继续走着，发现周围不仅会出现粒子，还会偶尔看到“凭空出现”的电子。它是从哪儿来的呢？答案是能量——爱因斯坦的质能方程e=mc²，一些能量按照这个公式形成了有质量的电子，可是电子带的电荷又是哪儿来的呢？
其实，电子并不是单独出现的，跟它同时出现的还有一个叫“反电子”的粒子，如果正反电子对相遇，就会“啪”地一声撞在一起，消失不见，同时释放出能量。
能量聚合形成物质，物质分为正反，正反物质相遇就会湮灭——这就是能量-物质循环的方式。在某个遥远的星球，或许存在一个由反物质构成的世界，上面生活着一个反物质构成的你，假如你有一天真的能见到这个“反你”，记住，千万别跟他握手，否则你们俩可能会瞬间化作一道光，永远消失。
3. 墙外有墙
假如我们穿越了宇宙，来到宇宙尽头，你会遇到一堵无法穿越的墙，连光也不行，这堵墙叫“临界最后散射面”。如果你很好奇它的后面是什么，咱们还要再来一起旅行，沿着时间往回走。
逆转时光，你看到了恐龙灭绝，月球形成，地球形成，宇宙越来越小，那堵墙也变得越来越近。一转眼，你已经回到了一百三十七亿年前，跟今天冰冷漆黑的宇宙不同，那时候的宇宙不黑也不冷，虽然这里连恒星都没有，但整个宇宙各处闪着耀眼的光，它来自宇宙最初的原子——大部分是氢原子，以及小部分的氦原子。
然后，你又往前走了一亿年，到达了可见宇宙初生的那一年。这时候，那堵墙更近了，离你只有一光分的距离，还不到现在地球和太阳距离的八分之一。此时宇宙有三千摄氏度。
你继续向前走，穿过了那堵连光都无法穿过的墙。不出所料，你眼前一片漆黑，因为周围能量太多，光在这里没法前进。不过你惊讶地发现，墙外面是一个至少有三十八万年之久的古老空间。在这里，原子核还没来得及形成，氢原子和氦原子携带的电子还是自由的，在一个巨大的电磁场中，各种粒子来回碰撞，不停地相互转换。此时，周围的温度是五千摄氏度。
从这里开始，你又往前走了三十八万年，温度已经上升到了一千亿摄氏度。你发现原子核，还有里面的质子、中子全都土崩瓦解，强核力也失效了，大量的自由夸克在你的眼前飞舞，庞大而密集的能量就像是一锅巨大的浓汤。
随着你一秒一秒地走向时间的开端，周围的环境也在疯狂地变化。在能量如此多的情况下，物质、光和能量之间快速转换，已经几乎没有差别。整个世界都在摇晃，时空被引力扭曲得不成样子。你跌跌撞撞地前行，最终到达了目的地——被物理学家称为“时间与空间诞生的时刻”，这一刻只有一百万亿亿亿分之一秒。
此时，我们今天的庞大宇宙全被压缩在一个直径十米的空间里，温度已经高达一千亿亿亿摄氏度。在这里，没有夸克，也没有粒子，甚至连我们之前说过的各种作用力场都没有——它们都被统一成了一个量子场，叫做“大统一场”，唯独引力位于这个场之外。这一刻就是我们熟悉的“大爆炸”，从这时候开始，稠密的能量开始转化成粒子，最终形成如今的宇宙。
这就到头了吗？你试着又走了两步，发现好像还能往前走。可是，随着时间倒流，周围突然冷却下来，能量和物质都不见了，残存的能量构成了一个你从未见过的量子场，充斥着从未见过的基本粒子。直径十米的空间急剧收缩，最终成了一个只有质子体积几十亿分之一的小点，这个你从未见过的量子场叫做“暴胀场”。
也就是说，在一百万亿亿亿分之一秒的时间里，宇宙从一个小点瞬间膨胀成一个直径十米的灼热球体，我们刚刚就反向经历了这个被称为“宇宙暴胀”的过程。在这个已经缩小成量子大小的宇宙中，你还想试着前行，可是发现已经做不到了。这里没有空间，没有时间，一切规则都不适用，时空旅行已经没有意义了。
这里就是宇宙的真正开端吗？很可惜，并不是，眼前又出现了一堵新的墙。只不过，构成这堵墙的并不是稠密的宇宙能量，也不是人类所知的任何物质，而是现代科学的局限。
4. 量子涨落与黑洞
在穿越时间之后，有两个问题还没解决。
首先，宇宙中会随机产生成对的粒子和反粒子，这些粒子对出现的地方和时间都有无限可能，这就是所谓的“量子涨落”。照这么说，宇宙的任何一点都可能存在无穷大的能量。无穷大的能量意味着巨大的引力效应，这还了得？那宇宙还不得塌了？
为了让问题更容易解释，理论学家们干脆不考虑引力，顺便把无穷大也去掉。这样一来，计算就没问题了，也能自圆其说了。
第一个问题是解决了，但还有另一个问题：我们都知道，现实世界中明明是有引力的，它怎么办呢？在我们刚才讨论量子场的时候，一直都在回避引力这个问题，即使是在宇宙原初时的大统一场中，引力都被排除在外。为什么会这样呢？答案是，引力没办法被量子化。
假设引力是一种量子场，那么它的基本粒子就是“引力子”，根据量子世界的规则，它可以在各处出现又消失，想想会发生什么？
首先，我们的时空会被弥散于各处的引力子分解成无数块割裂的碎片，时空不再连续；其次，如果我们考虑到量子运动的随机性，那我们生活的时空也会很随机，上一秒钟你还坐在家里看电视，下一秒中你可能在中世纪的欧洲做礼拜，再下一秒钟你可能出现在东汉末年的战场上……这不就乱套了？所以不行，我们只好把引力独立出来。
既然微观量子场论有道理，宏观的广义相对论也没错，这两个“看起来都对”的理论真的没办法统一起来吗？直到人们发现了黑洞。
在广义相对论的描述中，宇宙就像一张绷紧的橡皮薄膜，上面每一个有质量的物体都会让薄膜凹陷，凹陷得越厉害，引力就越大。
时空不会断裂，而是会形成一个“深坑”，在很小的空间里聚集巨大的能量和质量，这个“深坑”就是黑洞。黑洞的引力非常大，时空扭曲很严重，以至于连光都逃不出来。在这样一个密度巨大的领域，爱因斯坦的广义相对论失效了，我们不得不把头转向量子场论。
黑洞里面是什么样呢？假如你不幸掉进了黑洞，你的时间会静止，你的身体会在巨大的引力作用下分解，直到每一个基本粒子都获得自由，产生一个量子化的你。具有了量子的特征，你就可以凭空出现在任何一个地方，还会被转化为能量流喷射出来。每喷射出一点能量，黑洞就会损失一点质量，就这样，一个黑洞会在漫长的时间中，慢慢地变小、死亡，这就是所谓的“黑洞蒸发”。
我们刚刚说的这个过程，还没有实验证实。物理学家霍金也只是通过计算预测了黑洞蒸发的存在，至于它到底对不对，可能要很久以后才知道了。
5. 多重宇宙与弦理论
科幻作品里面，经常会有“平行宇宙”的情节。我们能看到的这个宇宙，会不会还有其他宇宙呢？
要回答这个问题，咱们需要重新回到宇宙产生的那一刻，重新经历一遍宇宙暴胀的过程。在极短的时间内，比质点还小的宇宙膨胀到直径十米的球体。可想而知，膨胀的速度非常快，甚至比光速还快。
在暴胀场中，宇宙以超过光速的速度膨胀。在这样的高速状态下，连量子涨落都跟不上宇宙膨胀的速度，本应不断快速出现又消失的粒子被“冻结”在暴胀场中，导致原本均匀的宇宙空间变得坑坑洼洼。
科学家们观测到了这种量子层面的差异，他们认为，正是这种粒子的不均匀分布造成了物质的聚合，产生了星系和我们生活的世界。
除此之外，科学家们还证实了暴胀场的存在。他们认为，在宇宙产生后八十亿年的时候，那会儿还没有地球，暴胀场和它里面的粒子短暂苏醒过，促成了宇宙的又一次膨胀，最终让宇宙能像现在这样永远膨胀下去。
在量子世界，有无限种可能，出现过一次的东西，就可能出现过无数次。
既然暴胀场具备量子场的特性，那么它的基本粒子就可以随时随地苏醒，并产生局部空间的暴胀。这种暴胀的后果，就是再产生一个宇宙“气泡”。再进一步说，根据量子理论，应该有着无数个气泡宇宙，甚至连我们生存的这个宇宙，都只是这些气泡宇宙中的一个！这就是所谓的“多重宇宙”理论。
我们从宇宙、星系、星球，说到了原子、分子还有其中更基本的粒子，所有的这些我们都能用肉眼观察到，或者用仪器探测到。那么再小一点呢？比量子还小的是什么呢？
理论物理学家认为，在比量子更小的尺度上，存在着特殊的两种“弦”：一种开放，就像鞋带；另一种闭合，像系好的鞋带。它们不停地振动，开放的弦产生虚光子形成电磁力，闭合的弦振动产生引力，这就是大名鼎鼎的“弦理论”。
按照科学家的预测，弦只存在于十维空间里，我们这些三维生物根本无法理解十维空间，但它的确存在。既然弦的振动产生了我们这个三维的世界，那另外七维的振动也会产生其他的世界。物理学家认为，这些世界之间并不存在明显的界限。也许有一天，我们也能进入一个更高维度的空间。
到这里，我们的宇宙之旅就告一段落了。探索宇宙一直是人类的梦想，从古到今，我们对宇宙的了解也越来越深入。
伴随着科技发展的，人们提出过无数的理论，又无数次被证实或者推翻，不论是牛顿力学、相对论，还是黑洞理论、弦理论。新的理论从枯燥的算式中不断产生，而这些数字将带我们走向未知的领域。在将来，关于宇宙的理论会越来越准确，宇宙的面目也会越来越清晰。
编辑|凉山
排版|凉山
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