既然物质不能凭空产生，那么宇宙最初的物质是从哪里来的？ 第1页

2020.11.07更新

大家的每一条评论我都有看，我也在反思为什么自己的回答让好多人看得云里雾里。我今天就来把之前的回答完善一下吧，争取写出一个让大家满意的回答。这篇回答不可避免要涉及到大一水平的微积分和物理，不过我也会尽量把重点内容凸显出来，使得没有相关基础的读者可以忽略其中的细节而抓住重点。

以下是整合及大修后的回答。

为了方便让大家理解，我把这个问题分解为以下几个问题：
1. 物质/能量能不能“凭空”产生？
2. 宇宙在其诞生初期经历了什么？
3. 今天的宇宙中有大约 kg的物质，它们都是在宇宙刚诞生时就存在的吗？还是说，只有一部分在宇宙刚诞生时就存在，另一部分是后来产生的？如果是第二种情况，那么后来产生的这部分物质具体是怎么产生的？（1→100...的过程）
4. 宇宙刚诞生时就存在的这一部分物质是从哪里来的？（0→1的过程）

一、物质/能量能不能“凭空”产生？

在聊这个问题之前，我需要说一说现代物理学中物质的微观模型。现代物理学中人们用“量子场论”去描述微观粒子的性质与相互作用，这一理论的基本思想可以归纳为：①微观粒子的波函数可以被视为弥漫在时空中的“场”，认为所有物质都是各种各样的场。②场的能量动量是量子化的，就像阶梯一样，比如能量可以是0 1 2 3……但不能是1.3 2.5这样的。③场的能量动量每上升一个台阶就相当于时空中产生一个粒子，每下降一个台阶就相当于时空中湮灭一个粒子，场能量下降到最低的话就是一个粒子也没有的真空。也就是说，场比粒子更基本，真空是场的能量最低的基态，而粒子是场的更高能量的激发态。

从上面的描述大家可以看到，粒子的产生过程其实就是它对应的场的能量上升一个台阶的过程。只要场的能量可以增多，粒子就可以产生。因此，物质能不能“凭空”产生的问题就等价于场的能量能不能“凭空”增加的问题，换句话说，这就是物质场的能量是否必须守恒的问题。这个问题的答案是：可以不守恒。要理解这一点，必须要明白“能量守恒”的条件是什么。

在物理学中有一条非常重要的定理，叫做“诺特定理”（物理系大二学分析力学课会学这个内容），这个定理的基本思想是：每一条守恒定律的背后都对应着某种对称性（当然，这个表述不严格）。能量守恒对应的对称性是“时间平移对称性”，就是说一般在物理系统具有时间平移对称性的情况下，这个物理系统的总能量才是守恒的。对于平直时空，一定具有此对称性，所以物质的能量一定守恒。而对于广义相对论中的弯曲时空，没有这种对称性，物质的能量就不一定守恒。

对于宇宙这个物理系统，不具有时间平移对称性，宇宙中物质场的能量就可以是不守恒的。研究表明，只有在非相对论性物质主导的宇宙中，即满是低速运动的物质的宇宙，物质场能量才是守恒的。而如果宇宙是相对论性物质（如光子、中微子）主导的，物质场能量就会随着宇宙的膨胀而减少，如楼下@Thomas的回答。还有一种情况下宇宙中物质场的能量会增加，我们接下来要聊的就是这种情况。

二、宇宙在其诞生初期经历了什么？

在宇宙诞生的极早期（大约 秒内），宇宙经历了一场剧烈的“暴胀”过程。这是个什么样的过程呢？暴胀是物理学家们假设的宇宙在其诞生初期经历的指数膨胀过程，认为宇宙在其刚诞生 秒内，尺度急剧膨胀了大约 倍（体积膨胀了 倍）。这一假设并不是凭空瞎猜的，而是为了解决许多宇宙学疑难才提出的，比如为什么观测表明现在的宇宙如此平坦、均匀，为什么宇宙微波背景辐射上面存在涨落。这些问题都可以被暴胀理论所解释，因此物理学家们相信暴胀过程的确在极早期宇宙中发生过。

那么宇宙为什么会发生暴胀呢？通常认为极早期宇宙中存在一种量子标量场 ，这种特殊的物质场主导了极早期宇宙的演化。接下来我要向大家证明这种标量物质场可以造成宇宙的指数膨胀，证明的过程会用到大一水平的微积分和物理，如果读者不想看这部分的话可以只看粗体字的部分。不过，如果读者把整个证明过程follow下来了，会对理解本文有质的提升。

场是弥漫在整个空间当中的，因此我们不能直接定义场的能量，而是需要对空间中的每一点定义一个能量密度 ，总能量=能量密度×体积。我们可以把这个标量物质场 的能量密度写为
其中， 为场的动能密度， 为场的势能密度。可以看到这和我们高中学的 总能量=动能+势能 很像。为了求解这个标量场如何影响宇宙的演化，我们需要借助描述宇宙尺度的演化的方程——（平坦的）弗里德曼方程：

这是一个一阶微分方程，其中 为宇宙的尺度因子， 为尺度因子对时间 的导数， 是万有引力常数， 就是前面说的物质场能量密度。把标量物质场的 代入弗里德曼方程可以得到：

现在，我们只需要给定势能函数（势能曲线） 的表达式就可以求解这个方程了。通常来说，为了引发暴胀，我们需要假设这个标量场的势能曲线 上有一段平缓的高台，比如下图中的Starobinsky势。极早期宇宙（的状态）就在这个高台上缓慢地向稳定点滚动（势能越低越稳定），此时标量场的势能密度近似为常数 且远大于动能，所以可以把弗里德曼方程写为：

如果读者学过高数的话，应该一眼就能看出这个方程的解是 ，也就是说，宇宙的尺度 随着时间 发生了急剧的指数膨胀。因此，这个标量物质场的存在就是引发极早期宇宙暴胀的原因。暴胀过程使得宇宙的尺度急剧膨胀了大约 倍。之后，随着宇宙的状态逐渐落向势能曲线的最低点，使得 的近似不再成立时，暴胀就结束了，宇宙从指数膨胀进入减速膨胀。

三、暴胀中物质产生的问题

在了解了什么叫做暴胀之后，我们就可以讨论物质产生的问题了。从前面的讨论我们可以看到两件事：①暴胀过程中标量场的势能密度 几乎是常数；②暴胀过程中宇宙的尺度膨胀了大约 倍。眼尖的读者可能一下子就看出了问题所在：能量密度×体积=总能量，既然这个标量场的势能密度几乎是常数，而宇宙的体积膨胀了 倍，那么这就意味着在宇宙暴胀过程中，此标量场的总能量增加了 倍！！！这些能量在暴胀后的宇宙重加热过程中，被标量物质场全部传递给了其他的物质场，由此（经过一系列的衰变）产生了电子、光子、夸克等标准模型粒子以及暗物质粒子（如果暗物质是粒子的话）。

我们还可以算一下暴胀前宇宙中物质的总能量。目前可观测宇宙中物质总量大约是 kg，如果不考虑辐射为主时期宇宙能量的衰减的话，我们可以反推出暴胀前宇宙中的物质只有 kg，这大概只相当于几百个碳原子的质量。由此可见，暴胀前宇宙中物质是极少的，几乎所有物质都是在暴胀后产生的。这听起来很不可思议，不过这个结果确实是从现有的理论中导出的。当然，也有可能现有的理论是有问题的，毕竟我们对极早期宇宙中的超高能物理知之甚少。

至此，我们解释了宇宙中绝大多数的物质/能量从哪来的问题（1→100...的问题）。另外还有一个值得思考的问题，暴胀中标量物质场的能量增加了 倍，那么这些能量是从哪来的呢？这个问题其实现在尚无定论。虽然在第一部分我们说过物质场的能量可以不守恒，但宇宙中不仅有物质场，还有引力场。有很多人认为即使物质场的能量不守恒，物质场+引力场的总能量应当是守恒的，暴胀中能量是引力场给物质场的。我对这种说法存疑，因为如果能量守恒的话，引力场+物质场的总能量应该有一个上限。然而考虑一个永恒暴胀的宇宙，它的物质场能量是没有上限的。因此我认为不能简单地将暴胀中物质场能量的来源归因于引力场，这个问题还要继续研究。 @王一 老师有一篇文章讨论了宇宙的能量问题，感兴趣的读者可以看一看：

四、0→1的问题

虽然我们已经解释了宇宙中绝大多数物质是从哪来的，但还有一个问题没有解答，暴胀前宇宙中存在的约 kg的物质是从哪来的？虽然它们的数量与今天宇宙中的物质总量相比无足轻重，但这个问题是非常重要的。因为正是有这点物质作为种子，才能在暴胀时期超级加倍产生今天宇宙中的所有物质。

研究暴胀之前宇宙发生了什么的学科叫做“前暴胀宇宙学”，目前这一研究方向尚停留在假说阶段，没有任何实验证据（暴胀是有一些预言被观测证实的，比如预言宇宙学密度参数 严格等于1）。前暴胀宇宙学的假说包括浮现模型、反弹模型、循环模型等，它们的共同特点是认为宇宙有个尺度最小值，暴胀前的那点物质是固有的，不存在产生的问题。不过这些东西目前都只是猜想而已，实际上是什么样子大家都不知道。我找了几篇这方面的不错的科普文推荐给大家：
①蔡一夫 金庄维《宇宙大爆炸之前是什么？》
http://www.zhishifenzi.com/depth/column/868.html
②张新民等《宇宙起源与阿里原初引力波探测》
http://www.wuli.ac.cn/CN/Y2016/V45/I5/320
③黄庆国 朴云松《宇宙如何起源？》
https://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/CSB/63/24/10.1360/N972017-01362?slug=fulltext

最后做一个总结。

1. 宇宙中物质场的能量可以不守恒。
2. 宇宙在诞生初期发生了一个剧烈的暴胀过程，这是由某个量子标量场造成的。
3. 今天宇宙中的 kg的物质，绝大多数是暴胀后产生的，只有大约 kg的物质是暴胀前就存在的。
4. 暴胀中物质产生的过程是：上述标量物质场的能量密度在暴胀期间几乎不变，而暴胀时期宇宙的体积膨胀了 倍。因为能量密度×体积=总能量，所以标量物质场的能量增加了约 倍。这些能量在暴胀过后通过宇宙重加热过程传递给了其他物质场，由此产生了各种物质粒子。也就是说，今天宇宙中的绝大多数物质都是在暴胀后产生的，用于产生这些物质的能量都来源于暴胀过程。（能量传递过程：？？？→某种标量物质场→其他物质场→今天宇宙中的物质）
5. 暴胀之前发生了什么，我们不太清楚，有各种理论模型。

另外再推荐几篇我关于宇宙学的文章及回答：

实际上物质就是凭空而来的。

而且物质必须是凭空产生的，否则宇宙就不可能存在！

至于为什么能凭空而来，那就是太初有道玄之又玄了。

量子涨落给出了一些解释，它表明真空其实是活泼的，在完全真空中，会随机出现稍纵即逝的能量。

我们能研究到物质最小的粒子质子和中子，它们的内部是夸克，每时每刻这些都有大量的正负夸克在真空量子涨落中产生和泯灭，所以我们这个物质世界，本质是真空当中迸发出来的幻象。

所以真空不是空，是什么东西，已经完全超出了人类的理解能力，也无法从我们这个宇宙内去了解。也许永远不会有人能回答你。

简单的说，宇宙，不过是真空的一个幻想。

那么又问，真空为啥能思考？因为真空是无限时空，在无限时空里，一切都是必然的。

虽然宇宙是有限的，但是宇宙之外的真空是无限的。在无限里，一切皆有可能。

在无限的某个维度的某个宇宙的某个角落里，海绵宝宝和派大星在比奇堡快乐的生活着。

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  lao-sun-da-fu 网友的相关建议: 
      

喜欢烘焙，刚开始，偶尔做做蛋糕，面包。我的建议准备如下就好，其他东西可以根据喜好慢慢添制。

1、烤箱：容量不低于30L，功能上至少可以做到单独控制上下管温度

2、厨师机：喜欢烘焙，不建议购买面包机，想做懒人版简化版面包的可以考虑，直接买厨师机，用处多，可以揉面团，打发奶油，打发鸡蛋等等。

相对便宜些的厨师机千元以内可以满足基本家庭需求。当然预算够的话可以买性能更好的。家用的，几百元，几千元，上万元都有。

3、电动打蛋器：电机尽量皮实一些，太弱的机器使用多了电机会烧。不过要在分量和性能间做一个平衡，好的电机内部铜等金属材料用料足，但提起来的手感很重。

比如，我最后添制的，太沉了，手提打时间久了会酸，所以有时候偶尔还会用原来的小机器，那个轻巧。

后来的机器，动力不错，打发蛋白速度快，不过价格也贵，够买之前的三个了，算是各有利弊吧。

4、手动打蛋器

5、厨房秤

6、橡皮刮刀

7、打蛋盆两个：盆深一点更好用，打发不容易飞溅。

容量建议2~3L，一大一小最好，其中一个大一点的盆，建议容量不小于3L。这主要是在做全蛋打发时，体积会膨大的很大，如果6蛋的配方，2.5L满足不了要求，3L都会满满一盆。

材质建议不锈钢，虽然视频里经常看到玻璃容器，那是为了视觉效果，实际用的时候，玻璃容器还是很沉的，举起来远不如不锈钢容器轻松。

如果有个盖的就更好了，可以做为面包发酵容器来用。

8、擀面棍

9、毛刷：硅胶易清洗，棕毛感觉上更健康

10、隔热手套

11、6寸8寸活底蛋糕模各一

12、带盖吐司模一个

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  ace-zh 网友的相关建议: 
      

估算一个上界。思路是每一轮都寻求一条最短线段，将当前包含天使的多边形，按面积等分成两个新的子多边形。再假设天使的运气足够好，每次都瞬移到等分效率较低的子多边形。

直观看出，取平行于正三角形一条边的线段来等分其面积，等分效率最高。令此线段长度 ，三角形边长 ，则：

这样，初始正三角形被分成一个新的小正三角形和一个等腰梯形，易见等腰梯形的等分效率远高于新的小正三角形，于是根据假设，天使将瞬移到新的小正三角形当中。如此循环，至于无穷，天使将被锁定在初始正三角形的一个顶点。计算魔鬼走过的耗时路程：

记魔鬼速度 ，则捉住天使的时间：

这个题目如此离散，不借助于数值离散优化不易得到全局最优解，建议大家来改进这个上界吧。

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按照 @yyx 说的圆弧线等分正三角形以及后续的扇形，上界可以改进为：

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  sakura-32-88 网友的相关建议: 
      

这是我看到的最准确的总结。

总的来说，就是中国的高考相对公平，所以性价比极高，所以其他活动都可以适当让步。

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