2.1　宇宙从无到有：物质、能量和空间

我们所处的宇宙，是广袤空间和其中存在的各种天体及弥漫物质的总称。人们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。宇宙起源是一个极其复杂的问题。直到20世纪，出现了两种比较有影响的关于宇宙起源的模型：一是宇宙恒稳态理论，二是大爆炸理论（The Big Bang Theory）。宇宙恒稳态理论认为：宇宙的过去、现在和将来基本上处于同一种状态，从结构上说是恒定的，从时间上说是无始无终的。而大爆炸理论认为宇宙和时间的开始都源起于宇宙中一次巨大的爆炸，这一爆炸造成了各大星系，而各大星系，以及整个宇宙总是处于不断变化和发展的过程中。1927年，比利时宇宙学家和天文学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）首次提出了宇宙大爆炸假说[1]。

20世纪20年代后期，埃德明·哈勃（Edmin Hubble）发现了红移现象，说明宇宙正在膨胀。20世纪60年代中期，阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）发现了宇宙微波背景辐射。这两个发现给大爆炸理论以有力的支持[2]。

在大爆炸理论中，大约138亿年前，整个宇宙，以其令人难以置信的浩瀚和复杂，从之前的虚无中膨胀而出。大爆炸开始时，体积无限小、密度无限大、温度无限高、时空曲率无限大的点，称为奇点。大爆炸之初，物质只能以电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降，随着温度下降，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。

当然，一个关键问题是：上帝是否创造了宇宙大爆炸？我们无意冒犯任何有信仰的人，所以我们把这个问题排除在本书的范围之外。

尽管宇宙浩瀚而复杂，但事实证明，要建造一个宇宙，只需要三种成分：物质、能量和空间[3]。

物质是有质量的东西。物质无处不在，在我们的房间里，在我们脚下，在太空中，如地球上的水、岩石和空气。巨大的恒星螺旋，延伸到令人难以置信的距离。

建造宇宙所需的第二个要素是能量。我们每天都离不开能量，做饭、给手机充电和开车都是在使用能量。在阳光明媚的日子里，我们可以感受到9300万英里（1英里≈1.61千米）外的太阳所产生的能量。能量渗透到宇宙中，推动着宇宙动态过程的不断变化。

建造宇宙需要的第三个要素是空间，很多空间。无论从哪里看宇宙，我们都会看到向各个方向伸展的空间。

根据爱因斯坦的相对论，质量和能量是同一个物理实体，可以在他著名的方程E=mc2中相互转化，其中E是能量，m是质量，c是光速。这将“宇宙食谱”中的成分数量从三个减少到两个。

尽管形成宇宙只需要能量和空间这两种成分，但最大的问题是这两种成分从何而来。在大爆炸理论的核心，它解释了能量和空间分别是正的和负的。这样，正负加起来为零，这意味着能量和空间可以从无到有。

可以用一个简单的类比来解释这个关键概念。想象一下，我们想在平坦的土地上建造一座小山，但我们不想从其他地方携带土壤或岩石。建造这座小山，我们可以在这片土地上挖一个洞，用洞里的泥土来建造它。在这个例子中，我们不仅制作了小山，还制作了洞，这是小山的负版。小山曾经在洞里面，在这个过程中它完美地平衡了。换句话说，山和洞可以在平坦的土地上出现。

这就是宇宙开始时能量和空间发生的事情背后原理。当大爆炸产生大量的能量时，它同时产生了相同数量的负能量，这就是空间。正能量和负能量相加为零。