“遇見量子就像遠方的探險家第壹次看到汽車。這東西當然有用，重要，但是有什麽用呢？”
在這節課的開始，我們來談談量子力學的壹些應用。先說最大的應用:宇宙。
我們的宇宙是這樣的，大概是拜量子力學所賜。
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只要妳喜歡推測，即使妳沒有任何現代的觀察手段，只要仰望星空，妳就能提出壹些有趣的問題，甚至可能猜出答案。比如，所有古代哲學家可能都思考過這個問題:宇宙萬物從何而來？古人給出了各種各樣的答案，但我敢說最接近現代科學的答案是中國東漢末年的壹位青年天才，曹操的女婿，何進之孫，著名玄學家言和。
言和的推理是這樣的。萬物皆有其形、色、聲，但就概念分類而言，越高越普遍，越簡單。級別越低，越具體，越多樣。比如雞鴨，妳知道它長什麽樣；但如果說什麽是“鳥”，形象就不具體了；再往高處走，什麽是“生活”？妳根本想不出壹個形狀那麽，以此類推，萬物的總起源壹定是沒有形狀、顏色和聲音的東西。
無論是這個最高級的本源，還是宇宙的法則，也就是“道”，必然是“無”。言和說:“有了東西，就可以‘無’而生；如果妳做了壹件事，妳不能什麽都不做就完成它。」
妳覺得這比希臘神話“混沌孕育了大地女神蓋亞”和希臘哲學家泰勒斯“水是萬物之源”先進多了嗎？如果壹切都源於水，那麽水是從哪裏來的呢？事實上，現代科學認為宇宙包含了壹切，宇宙也確實有大爆炸起源:既然大爆炸之前什麽都沒有，那麽宇宙的起源就只能是“無”。
但妳可以問另壹個問題:“無”是怎麽產生的？為什麽不壹直保持“無”呢？
古代哲學家是不可能理解的。這個要看量子力學。
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在所有理論中，量子力學是唯壹壹個允許事情無緣無故發生的理論。這個原子壹直都很好。為什麽會突然衰變？沒有理由。無中生有是量子力學的日常行為。量子力學認為真空並不是真的空的，壹對虛粒子會隨時隨地浮現並相互湮滅...似乎從無到有創造宇宙也不是不可能。
目前物理學家對宇宙如何起源還沒有達成壹致。理論模型很多，但證據不足。我們來挑兩個最著名的說法，這兩個說法都涉及量子力學。
壹個是斯蒂芬·霍金的“無邊界提議”。1983年，霍金和詹姆斯·哈特爾提出大爆炸不需要“奇點”，宇宙的起源就像下面那個毽子的形狀——
關鍵是它有壹個非常平穩的開始。霍金說，在宇宙開始之前，只有空間，沒有時間——既然沒有時間，也就沒有“之前”，這才是真正的“無”。宇宙處於量子疊加態，可以有各種歷史，可以用壹個波函數來描述。然後突然之間，宇宙的波函數塌縮了，時間開始了。壹開始是虛擬時間，後來變成了真實時間，然後暴漲，然後壹切都進化了。
霍金說，我們所經歷的只是宇宙眾多可能歷史中的壹種，甚至不是最有可能的壹種。還有很多其他的宇宙無緣無故地起源了，但是大部分都會因為“爆炸”得不夠好而馬上消失。宇宙繼續像氣泡壹樣產生和消失——我們的宇宙幸運地生存了下來。
這個理論的缺點是保留了太多可能的宇宙，讓人覺得有點太貴了；好處是去掉了“宇宙之前”的問題，提供了壹種無中生有的機制。這兩個特征是量子力學給出的。
霍金的模式在科普中很受歡迎，因為霍金擅長寫暢銷書。事實上，在學術界，另壹種模式可能更受歡迎。
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早在1981，“膨脹”理論的創始人阿蘭·古斯就提出了無中生有的另壹種可能。格斯的理論不需要考慮時間，只要給壹個很小的真空區域，就可能爆發出壹個新的宇宙。
量子力學認為真空不是絕對“空”的。測不準原理要求能量在任何地方都不能絕對為零——否則就是確定的。所以即使在真空中，也會有很小的能量波動，這種能量波動被稱為真空的“零點能”。這個零點能量是空間中最低的能量。
格斯的提議是，由於某種量子力學效應，某個空間會非常偶然地得到壹個略高於零點能量的能量，這個能量大約相當於，比如壹個原子運動到第二能級的“激發態”。它是無害的，因為能量也很低，什麽也不會發生，相當於壹個“假真空”。
對於空間中的這個點，假真空的能量相當於所有可能性中的壹個局部最低點，而真真空的能量是全局最低點。本來假真空就比較穩定，不會變成真真空。但是因為量子隧穿效應，在某個時刻，假真空衰變為真真空。於是，宇宙起源了。
空間中的這個點因為假真空衰變獲得了壹點額外的能量，提供了壹個負壓，而根據廣義相對論，這個負壓成為了向外生成的“反重力”，使得宇宙開始暴漲。暴漲是壹個比“大爆炸”快得多的過程，相當於太空各個部分同時爆炸。空間打開，引力提供負勢能，所以根據能量守恒，正能量會在空間各處衰減，這就是物質的起源。最早的物質主要是光子，然後是誇克、電子、質子和中子...壹直到今天的宇宙。
這壹切都源於量子隧道。根據格斯的說法，宇宙起源於真空中的壹個氣泡。那麽妳可能會說，我們今天宇宙的大部分空間也是接近真空的。如果再來壹個這樣的泡沫，再來壹次暴漲，創造壹個新的宇宙，毀滅我們現在的宇宙，怎麽辦？這個不用擔心，真空衰變的概率極低，發生的平均間隔時間比我們宇宙的年齡長很多倍[2]。
所以格斯的理論說量子力學讓宇宙起源，量子力學也讓宇宙難以起源……而這兩個特點妳都應該心存感激。那麽古斯是對的還是霍金是對的呢？現在沒有足夠的證據。無論宇宙如何起源，最初的激增都會留下痕跡。在未來，對這壹痕跡的更精確的觀察可能會導致宇宙起源的直接證據。這個痕跡就是“宇宙微波背景輻射”。
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微波背景輻射來自宇宙的原始光，它為今天宇宙的各個部分提供了2.7 K的保證溫度，是宇宙留給天體物理學家的禮物[3]。我們可以從背景輻射中看到很多有趣的東西，最有趣的是，為什麽宇宙會如此均勻？
事實上，妳可以通過仰望星空來看到這壹點。擡頭看，各個方向的星星幾乎壹樣多，而且不是所有的星星都集中在壹個地方。這種現象是物理學家心中的壹種信念，被稱為“宇宙原理”:在大尺度上，宇宙是均勻的、各向同性的，沒有什麽是特殊的[4]。
其實從這個“不特殊”，即使沒有其他證據，我們也已經可以猜測宇宙應該是有起源的。不然宇宙那麽大，地方那麽遠。它們是如何相互溝通，相互協調，才能表現出這樣的相似性？這就好比社會上的壹群人，雖然分布在世界各地，但是他們的想法和做法卻非常相似，所以妳有理由懷疑他們是同壹所大學畢業的。宇宙的均勻性表明宇宙中的物質曾經聚集在壹起。
宇宙起源理論，尤其是暴漲理論，可以解釋宇宙的均勻性。但另壹方面，如果宇宙太均勻，就不行了。如果宇宙是絕對均勻的，那些基本粒子就會均勻分布在整個空間，對嗎？但是這麽多的恒星是怎麽形成的呢？恒星是物質積累的產物，根據恒星的壽命來看，它們壹定很早就積累了這麽多物質。之所以這裏有物質，那裏沒有，恰恰說明宇宙不是絕對均勻的。
所以我們的問題變成了為什麽宇宙不是絕對壹致的。我們設想，如果宇宙在壹個非常非常小的點上從無到有地誕生，那麽從對稱性的角度來看，它的演化似乎是絕對壹致的——畢竟，它沒有理由與其他地方不同。那麽這個不平，又是從哪裏來的呢？
答案是量子力學。因為量子力學的不確定性，早期宇宙的所有量子場都會有壹些小的波動，而正是那些小的波動造成了宇宙的不均勻性！
直到今天，我們還能從微波背景輻射中看到早期宇宙波動的信息。背景輻射說明宇宙早期溫度相對較低，對應的引力場相對較強，更容易聚集成物質，在後期演化中形成恒星、星系甚至星系團；溫度較高的地方，現在更容易成為空曠地帶。
微波背景輻射中高溫和低溫有什麽區別？幾乎十萬分之壹。量子力學的尺度恰到好處:如果漲落大壹點，也許宇宙會太不均勻，很多物質會聚集在壹起，可能會影響宇宙的演化；如果漲落再小壹點，宇宙中就沒有太陽、月亮和星星了。
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量子力學不僅使宇宙起源於“無”，而且使那個“無”產生“存在”；讓宇宙起源，但不要太容易；讓宇宙既非常均勻又不完全均勻。如果不是量子力學，我們真的不知道還有什麽機制可以提供這麽好的設定。
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焦點
給…作註解
[1]原話是“遇見量子就像壹個來自遙遠國度的探險家第壹次乘坐汽車來到這裏。明明是賤為用，重要為用，但是用什麽呢？”
[2]泰格馬克；博斯特羅姆(2005年)。"世界末日的災難有可能發生嗎？"大自然。438 (5875).
【3】忙碌者的天體物理學1:運氣是這個宇宙的通行證。
[4]見“不專”。但這種信念最近似乎受到了挑戰:壹個常數的奧秘。