宇宙中第一个量子场是如何产生的？

无论我们如何看待宇宙（在低温或超高能量下，从我们的住所到可观测宇宙中最遥远的角落），我们会发现，物理定律都适用。基本常数保持不变、引力似乎在哪都一样（不是大小）、量子跃迁和相对论效应相同。在所有时间点上，至少在我们可以观察到的宇宙部分，广义相对论（控制重力）和量子场论（控制其他已知力）似乎都以完全相同的形式应用。但一直都是这样吗？有没有一段时间，宇宙中没有相同的量子场，或者根本没有量子场？

也许令人惊讶的是，即使在你意想不到的情况下，量子场仍然存在。这是我们目前所知道的。

• 如果你把一块磁棒“掰”成两半，它不会产生一个孤立的北极和南极，而是产生两个新的磁体，每个都有自己的北极和南极。

当我们想到场的时候，我们大多数人的想法和19世纪科学家的想法是一样的，当你有某种类型的源（比如电荷或永磁体）它会在空间的每一点在其周围创造一个场。你可以通过观察与这个场相互作用的各种电荷的变化来检测这个场的存在。

铁屑本身可以被磁化，它们可以沿着磁场的方向排列，从而对磁场做出反应。在有电场的情况下，电荷会受到一个依赖于电场强度的加速力。

即使是引力，无论在爱因斯坦还是牛顿的概念中，都可以被想象成一个场，在这个场中，任何形式的物质或能量都会对其在空间中所处位置的引力效应作出反应，从而决定其未来的轨迹。

然而，这种可视化，尽管很有用也很常见，却只能在非量子环境下工作。这是经典场如何作用的一个很好的例子，但我们生活在一个基本的量子现实中。我们在经典世界中所设想的在量子宇宙中不再适用。

相反，量子场不仅存在于有源的地方（如质量或电荷），而是无所不在，无处不在。例如：

• 质量（重力），
• 电荷（磁场），
• 具有非零弱超荷（弱核力）的粒子，
• 或色荷（强核力），

它们表现得像场的激发态，但无论有没有电荷，场都是存在的。更重要的是：场是量子化的，它的零点能量，被允许有非零值。

• 今天，费曼图被用于计算包括强、弱和电磁力在内的各种基本相互作用，包括高能和低温/凝聚态条件。即使在没有粒子的情况下，费曼图也存在，它代表了量子场的真空贡献。

换句话说，我们所理解的“空空间”，没有电荷，没有质量，也没有其他的场源，并不完全是空的，因为仍然有量子场存在其中。这意味着，由这些场的量子性质与海森堡测不准原理结合而产生的量子涨落也存在于整个空间，占据了系统允许的所有可能的量子模式和状态。

量子场论只是计算的一种方法，这并不像有一个实验来测试这些量子场是否存在于真实的真空空间中。但有一个实验，你可以拿两个平行的导电板，把它们放在你能创造的最完美的真空中，那里没有任何物质，也没有任何类型的源，只有真空中固有的量子场，包括基本的量子电磁场。

• 一个卡西米尔效应的说明，以及在板的外部的力是如何不同于板内部的力的。

除了这两个板，所有这些量子场的可能状态都是允许的，因为没有限制哪些模式是禁止的。但在这些板块内部，只有一部分量子场被允许存在，因为边界条件阻止了某些电磁波的存在，从而也阻止了某些量子场的存在。即使这些电磁波没有任何源，这些激发态在这些板的内部和外部都是不同的，在这些板上产生一个合力：卡西米尔力。

早在1948年，科学家亨德里克·卡西米尔就预测到了这种力，但直到1997年，物理学家史蒂夫·拉莫罗才首次在实验中检测到这种力，并得到了与卡西米尔预测的系统误差不超过5%的结果。这些量子场确实存在于整个空间，实验不仅证明了它们的存在，还向我们展示了它们效应的大小。

• 已知量子场对真空的贡献现在还无法实际计算出来，但如果我们有任意大的计算能力，就可以在理论上计算出来。

物理学家想知道的概念之一是，我们所知道的量子场是标准模型的一部分，还是与重力相关的（假定的）量子场的一部分，是否构成了渗透到空的空间的所有量子场？例如，是否可能有其他量子场产生于：

• 造成暗物质的原因
• 任何现象或
  场
  导致暗能量，
• 宇宙通货膨胀阶段遗留下来的任何场，
• 某种大统一带来的新领域或互动，
• 或标准模型以外可能存在的任何其他奇特的新物理。

尽管物理定律不会随着我们观察到的条件而改变，但量子场的性质保证了量子耦合的强度，与粒子在量子场中所受到的作用力相对应，实际上是随着能量和温度的变化而变化的。

• 当你把耦合常数看作对数尺度上的能量函数时，它们几乎忽略了另一个（左边）。

在物理学中，我们称之为“耦合常数的运行”，你可以把它想象成这些虚量子粒子占据了更多的激发态模式，而与之相比，这些虚量子粒子占据了更多的低能量基态模式。虽然这并不意味着统治宇宙的量子场在更早、更高能量的时代是不同的，但它暗示了一些东西：也许这些耦合常数在某一时刻统一，表明强、弱和电磁力可能是从一个更大的理论中产生的，在那里所有的力都是统一的。

这个框架不仅提供了一种可能性，即额外的量子场可能会出现，并揭示它们在高能量下的效应，而且可能存在某种“终极统一”，或一种万物理论。如果存在这样一种状态，你可以把它想象成一种恢复对称的终极版本，就像把一个球放在一颗行星最高的山峰的顶端。

当对称性被打破时，就像从山上滚下来，进入山谷的最低点。但如果你多次把球带回到山顶，并尽可能地平衡它，它就不一定每次都以同样的方式滚下来。取决于以下因素：

• 初始条件的细微差别，
• 小的，甚至量子，涨落，
• 宇宙以何种速度膨胀或冷却，
• 以及新的磁场耦合的存在或缺失，

这种破坏的对称性可能会以任意数量的最终状态之一结束。没有任何保证，如果我们让时钟回到某个极早的时间，我们的宇宙所遵循的物理定律和基本常数每次都是一样的。就像我们相信我们“中了”宇宙彩票，因为我们让人类生命出现在地球上，我们也有可能通过我们获得的定律和常数而中了宇宙彩票。

• 多重、独立的宇宙，在不断膨胀的宇宙海洋中彼此偶然地断开，这是对多元宇宙概念的一种描述。多元宇宙中可能出现不同的“口袋宇宙”，但没人知道这些宇宙是否会有不同的定律或基本常数。

但是，当我们将时钟倒转到大爆炸的最早阶段时，我们看不到证据表明宇宙曾经达到足够的温度，以至于理论上的统一实际上发生了。破坏对称性时，会产生粒子，并且如果发生这种大统一，那么它应该会产生大量的磁单极子。如果我们今天知道的量子场是从某个先前的状态出现的，而先前它们并不存在，那么该状态必须限制在炙手可热的大爆炸之前。

这是否意味着它们可能是在宇宙膨胀期间产生的？

这是可能的，但我们不知道。根据对膨胀过程中能量极限的推断（这些能量本身来自于膨胀过程中产生的波动），膨胀可能还没有达到足够的能量来实现膨胀。尽管成功的膨胀模型需要一个多元宇宙，但假设不同的“口袋宇宙”中的常数或定律是不同的仍然是一种推测。

• 膨胀期间发生的量子涨落确实会在宇宙中拉伸，但它们也会导致总能量密度的涨落。这些场涨落导致早期宇宙的密度不完美，然后导致我们在宇宙微波背景中经历的温度涨落。

然而，有一件事是肯定的，那就是在膨胀期间一定还存在着一些不同种类的量子场。它们可能是，也可能不是今天存在的相同的量子场，可能在我们已知和的量子场之外，还有其他的量子场，但它们必须存在。我们是怎么知道的？因为我们在宇宙中看到的涨落，这些涨落导致了最终形成的宇宙结构，与膨胀时期波动量子场预测的涨落完全吻合。

那些通常在微小的、微观的量子尺度上发生的涨落，在膨胀过程中被延伸到整个宇宙，转化为大爆炸开始时的温度和密度涨落，并不可逆转地印在宇宙上。我们观察到的这些涨落和它们的结果，非常明确地告诉我们，这些量子场在膨胀过程中确实存在。

自从时空存在以来，量子场的某些版本一定也存在过。但是，在我们可观测的宇宙中，永远都无法观测或获取。在缺乏证据的情况下，我们必然要探索已知的极限，并将其与剩下的可能性相匹配。不管推测有多有趣和有益，事实是我们根本不知道。