随着对宇宙的声音本质和宇宙结构的起源的深入研究，我们会发现宇宙中的许多成分都来源于量子场的共振，就像音符来自振动弦的共振一样。量子场论是目前关于宇宙的基本统一范式。我们最为熟悉的关于场的例子是磁场。与一般接触力不同，两块磁铁无须接触就可以对彼此施加作用力，因为它们共同产生了一个无形的磁场。虽然场线是肉眼看不见的，但我们可以把磁铁放在一张纸上，并在其周围撒上小铁屑，使场线可视化。这些铁屑会从磁铁的一极到另一极连成一条曲线，标示出场线。这些线的弯曲程度越高，磁场的强度就越大。宇宙学中有一个未解之谜，即磁场甚至存在于星系之间¹，而我们现在还不知道它产生的原因和原理。

如果仔细观察，你就会发现，磁场线在磁铁的北极和南极更为密集，这意味着它们在极点上消失了（图15-1）。因此，磁场的特征可以用一个数学函数来描述，在空间中的每一点上，这个函数都有一个方向（描述弯曲程度）和数值（描述强度）。这种函数被称为向量场（vector field），对一个磁场而言，我们用箭头来表示向量场的方向。与用一个点来描述的粒子不同，场是可以光滑地分布在空间中的整体。

图15-1　磁铁的磁场线

注：这些线条表示条形磁铁附近磁向量场的方向。与引力场相似，磁场的强度与距离的平方成反比⁽¹⁸⁾。

声音宇宙的奥秘

在量子力学出现之前，物理学家已经知道了连续场（continuous field）的存在，比如电场与磁场。实际上，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）已经把电场与磁场整合成了一个整体，这个整体被称为矢势（vector potential），是另一个向量场。原子中的电子要想在能级之间完成量子跃迁，就必须与光子相互作用，并发射光子。量子化任意场的物理学（包括电磁场的矢势和光子）与弦的简单正弦振动的原理相似。我们用傅立叶理念来表示复杂的弦振动，同样的方法也可以应用在矢势场上，并且把它表达为以不同的整数频率区分的无限个波的叠加。例如，给定频率的光子是具有量子化频率的纯粹正弦波矢势。因此，光子场（量子化的矢势场）将是具有整数值的光子的无限叠加。与伊辛模型中的量子自旋能相互作用以控制磁性的大小一样，不同的量子场也可以相互作用，从而形成我们所见到的缤纷世界。

通过用粒子加速器探索物质的结构，我们已经知道所有的物质和4种基本作用力的携带者都来源于场。对宇宙中的可见物质而言，场有两种基本类型，即费米子与玻色子。玻色子是携带着作用力的场，而费米子构成了实体物质。在原子的情形中，对应的费米子是电子，而玻色子是光子。在它们的相互作用下，电子在跃迁到低能级时发射出光子，在跃迁到高能级时吸收光子。除了电子和光子，还存在少量其他的费米子与玻色子。量子（或者说场的简谐振动）就是粒子。3种玻色子场分别对应着引力场、电-弱力场和强力场。更令人兴奋的是，一个弥漫在真空中的一般电子场的振动产生了所有的电子，包括那些在你身体里的、在恒星里的、在宇宙中分布着的。如果这幅图景是真实的，那么宇宙中为什么没有充满了电子、光子与其他粒子呢？神奇的是，宇宙中可以充满了场，却没有充满粒子，所以必然有某种事物触发了场中的势能，使其转变成了粒子，就像推动一下雪球就可以让它滚下山，在这个过程中，它的动能会不断增加。

我们可以认为宇宙微波背景辐射中充满了粒子。然而，宇宙中最低的能态是真空状态，这也是宇宙可能具有的最为对称的情况。如果我们回到宇宙微波背景辐射存在之前，那时宇宙处于真空状态，而粒子以某种方式自真空中产生。在宇宙的早期阶段，能量-时间不确定性导致真空中产生粒子。然而，真空涨落既可以产生粒子，也可以产生反粒子，两者会迅速地彼此湮灭。因此，真空涨落无法让粒子长时间存在。

我们现在观测到的粒子既存在于星系中，也存在于我们的骨骼之中。要想形成这些粒子，真空涨落需要产生更多的物质，而不是反物质。达成这一目的需要一个重子产生过程（Baryogenesis），这是一个假定的过程，它在宇宙中创造了不对称性，所以最终得到的物质比反物质多。

我们已经知道，宇宙暴胀早于宇宙微波背景辐射存在时的辐射主导时期。暴胀发生在刹那之间，这段时间内不存在任何标准模型中的粒子。如果暴胀理论是正确的，那么在产生构成了今天的宇宙结构的可观测粒子方面，它一定扮演着极为重要的角色。在我撰写本书时，对于重子产生过程到底是什么，以及它具体是何时发生的，科学家还没有达成共识。目前的一些猜想大致可以分为三类：

•　重子产生过程发生在暴胀过程中；

•　重子产生过程发生在暴胀刚刚结束之后；

•　重子产生过程发生在电-弱力占支配地位的时期。

结果是，不管重子产生过程发生在什么时候，它都具有一些普遍的特征，如果具备这些特征，我们已经在宇宙中观测到的物质就会产生。这些条件是以苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）的名字命名的。萨哈罗夫是第一个提出早期宇宙中的物质产生自真空的必要条件的人。他提出的重子产生过程理论的核心在于否定了三种对称性的存在。在讨论萨哈罗夫提出的条件之前，我们先来进行一个重要的音乐类比，这将有助于我们理解重子产生过程的物理学原理。这个类比就是共振。

我们已经知道，一个周期性的外力施加在一个具有确定固有频率的物体上时会发生共振。当外力以物体的固有频率振动时，振动物体的振幅将会迅速增大。弦和乐器等更为复杂的物体具有更大范围的固有频率。因此，我们或许可以借助外力来生成一个大范围的共振频率。量子场就像一种广义的物体，比如一根弦，它能以多种共振频率振动，因为所有的量子场都可以相互作用，一个量子场可以表现为外力，另一个量子场可以在相互作用下发生共振。在受到驱动的情况下，真空中的量子场能以等于它静止质-能的频率振动。应用爱因斯坦的关系式：

E=hf=mc²

我们可以得到一个量子场作用于另一个质量为m的量子场的驱动频率f，如果驱动频率f=mc²/h，它就可以使量子振动产生共振。因此，粒子就是量子场的共振，我们可以将其理解为类似于音符从被拨动的吉他弦中产生的过程。拨弦的动作就是施加于相互作用的量子场的外力，产生的粒子可以类比为音符。不过，若想把这个类比应用于真实的宇宙，我们还需要稍微调整一下真空乐器，如此某些振动就不会出现，比如反粒子，而这种调整是与真空中的某种对称性破缺相关的。

现在，我们从萨哈罗夫的理论中来看看是真空中的哪种对称性需要破缺。当我们仔细审视基本相互作用的标准模型中的对称性时（即费米子与玻色子之间的所有相互作用），我们得到了一些惊人的发现：在时间反演、空间反演（类似于照镜子）和电荷反演的共同作用下，所有的相互作用都保持对称。我们再来看看费曼图（图15-2）中的电子与正电子。我们先反演电荷，然后反演时间，最后把图像左右翻转（镜像反射）。令人惊奇的是，除非电子与正电子随着时间的逆流产生了光子，否则最后我们得到的图像能用以描述相同的物理现象。粒子加速器以极高的精度验证了这一点。萨哈罗夫找到的正是早期宇宙中必然存在的对称性破缺的组合。更令人兴奋的是，这些对称性破缺的实现需要新的物理学。

图15-2　费曼图

第一种需要破缺的对称性是重子流。重子流和导线中的电流类似，不同之处在于，重子流可以单独存在于空间之中。在标准模型中的真空里，重子流的速率恒为零，换句话说，总是存在一个大小相等、方向相反的重子流随之一起流入、流出真空，这两个过程是对称的。某些与重子流场共振的场可以影响重子流的对称性，让我们称之为B（重子对称性）。然而，这还不足以催生出重子产生过程。影响了重子流对称性的事物也会影响反重子流，因为真空也具有重子和反重子之间的对称性，也即保罗·狄拉克发现的物质与反物质之间的对称性。如果反重子出现了，那么它们就会和已有的重子彼此湮灭，最终什么也不会留下。因此，把粒子与反粒子联系在一起的对称性是一种需要被去除的相互作用，我们将这种对称性称为C。最终，如果我们应用这种新的物理原理，同时违反B和C，这些在反重子上产生的重子就不能达到背景辐射中的热力学平衡，新产生的重子也就不会“融化”在热流中。现在已经出现了几种重子产生过程的模型，不过它们都建立在该过程发生在暴胀之后的假设上。也许，声音宇宙会指向某种来源于驱动共振的场的重子产生过程，它可以一次性满足所有的萨哈罗夫条件。

2005年的一天，我很不情愿地走在去斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）的路上，准备继续我的博士后工作。我已经好几个月没有新的想法了，这让我感到很沮丧。突然，我不由自主地想起了一年前在帝国理工学院时做过的一个梦，当时我把那个奇怪的梦告诉了克里斯·艾沙姆。在那个梦中，一位身着白袍的老人站在太空中，以闪电般的速度在黑板上写下一些方程。我沮丧地对老人说我太笨了，理解不了那些方程。接着，黑板消失了，老人慢慢地向一个方向旋转自己的双手。那时候，我并没有把这个梦当回事，艾沙姆却一直问我梦中的细节，比如那个老人的手的旋转方向。斯坦福大学的理论组一直致力于研究宇宙暴胀及其可能具有的固有对称性。我现在才意识到，老人的手的旋转方向提供了一种新的视角，它关乎如何打破宇宙暴胀中的对称性、生成重子不对称性。我走在棕榈大道（Palm Drive）上，一时间觉得苦尽甘来。我发现了一个从宇宙暴胀中得到重子产生过程的机会。

打开了一个潘多拉魔盒

我心里很高兴，于是在计算机科学系对面的一家咖啡馆喝了一杯啤酒。过了一会儿，我的博士后导师、斯坦福直线加速器中心理论物理组组长迈克尔·佩斯金（Michael Peskin，图15-3）走了进来，和他一起的是博士后中的一位明星。我向佩斯金打了招呼，并告诉他，我已经在真空与重子产生过程之间建立了联系。那位博士后笑了笑，说：“你又有了一个疯狂的想法。”佩斯金总是会给一位理论家表达自己的机会，我们另约了时间详谈。

图15-3　迈克尔·佩斯金

注：佩斯金是我在斯坦福直线加速器中心的博士后导师，也是一位基本粒子物理学家。图片提供者为佩斯金本人。

在理论物理学界，佩斯金被称为“圣人”。他为人谦逊，戴着眼镜，蓄着胡子，拥有广博的物理学知识，对量子场论和超对称研究尤深。他的大多数博士后（包括我自己）都有点害怕和他交谈，并不是因为他很刻薄，而是因为与他讨论之后，我们总是会为自己在物理学上的无知而感到难堪。我第一次见到佩斯金是在研究生最后一年的一次暑期研讨会上，研讨会的主题是弦理论，他在会上做了关于粒子物理标准模型的演讲。一些理论物理学家之间流传着一个笑话：佩斯金就是物理学界的科伦坡中尉。年轻的读者可能不知道，《科伦坡》（Colombo）是20世纪80年代很受欢迎的电视节目，主角即为科伦坡侦探。衣冠不整的科伦坡侦探会对犯罪嫌疑人很礼貌，好像自己很天真一样，而实际上，他这么做是为了分散嫌疑人的注意力。科伦坡会问一些看起来很愚蠢的问题，这些问题既会激怒嫌疑人，又会诱导嫌疑人说出前后矛盾的话，最后嫌疑人不得不招供。

斯坦福直线加速器中心是世界上最难开展理论研讨课的地方。我经常在研讨课上看到这个谦逊的男人礼貌地举起手，用真诚而尖锐的声音说：“抱歉，这里我不太懂。”做报告的人会立马落入陷阱，一开始他还会为可怜而“困惑”的佩斯金感到难过。接着，图穷匕见——当他意识到这个可怜而“困惑”的人让整篇报告都作废时，他的心情会迅速从同情变为恐惧。所以，想象一下做佩斯金的博士后整整三年，并且办公室就在他办公室旁边是一种什么样的体验吧！

当我和佩斯金提到我的新想法时，他表示很喜欢，并且让我做一些冗繁的计算——闭上嘴，低头算。后来我发现，这些计算实际上需要花费几个月的时间。我与同在斯坦福大学做博士后的莎因·谢赫-贾巴里（Shahin Sheikh-Jabbari）共同研究这个课题，他来自伊朗，是一位杰出的弦理论学家。那一年，我正在寻找一份终身教职，所以我非常想完成这个项目。每次我和贾巴里取得了一些进展，认为这个项目就快得到结论时，就会一起去找佩斯金，佩斯金则会说：“噢，斯蒂芬，很抱歉，我还是有点不懂。”就这样，11个月过去了，剩下的时间不多了。

经过几个月的研究，我们惊奇地发现是暴胀场让真空的CP对称发生了破缺。而暴胀之所以会导致CP破坏，正是因为它内部产生了共振。由于时空可以弯曲和伸展，爱因斯坦证明了时空的扰动可以产生一种以光速传播的引力的波，也即引力波。一般来说，宇宙暴胀会产生引力波，因为暴胀场就像扔进池塘的石子，它会扰动时空结构。

在大多数暴胀模型中，宇宙暴胀会产生两种引力波，一种是左旋的，另一种是右旋的，就像你用左手和右手往同一个方向投掷橄榄球，球的旋转方式是不同的。然而，我们首次发现，在暴胀阶段，相比右旋引力波，暴胀场与左旋引力波共振产生的振幅更大。其结果是，左旋引力波只与物质相互作用，右旋引力波只与反物质相互作用。最终，左旋引力波的更大振幅导致物质的共振比反物质的共振更强。这种情况同时产生了CP破坏的条件，以及来自引力波的重子数——暴胀同时满足了萨哈罗夫三个条件中的两个。最终，最后一个萨哈罗夫条件（处于非平衡态）自然地出现了，因为在暴胀过程中，空间膨胀的速度比重子产生的速度要快得多。

佩斯金的困惑似乎永无止境，而且总是令人感到沮丧，我和贾巴里不得不继续深入挖掘。佩斯金能明确地指出研究中存在的问题，正因于此，我们才能得到关于宇宙暴胀阶段的重子产生过程的新发现。我们不断地提升自己的技能，并跌跌撞撞地走向最终的完美独奏。我和贾巴里提出了一种新的重子产生过程机制，它将暴胀过程中的量子涨落作用于宇宙结构形成的机制，以及物质的起源（物质在数量上压倒反物质）联系在了一起。暴胀是如何通过量子舞蹈实现这一切的？我们需要借助一首特殊的歌曲来解答这个问题，而这打开了一个潘多拉魔盒。