有个悖论，物质都不能凭空出现，那最初宇宙是怎么诞生的？奇点之前呢？
有个悖论，物质都不能凭空出现，那最初宇宙是怎么诞生的？奇点之前呢？ 质量守恒本质上是能量守恒，能量守恒来自于时间平移对称性，如果时间平移对称性被打破了，能量就可以不守恒。现在你都知道有个特殊的大爆炸零点存在了你说它还对称吗……那物质自己诞生了有什么好奇怪的？ 首先要明确一点，人类的思考能力是基于对这个世界的观察。而人类的观察能力是不断加强，但也是有极限的。所以，人类的思考也是有极限的。比如，以20世纪人类的科学，对宇宙的认识只能推导到宇宙大爆炸。大爆炸之前，是什么样子，超出了人类当时的科学和思维能力。而你问的，就是科学还不能用现在的物理定律推导和解释的。所谓宇宙大爆炸，奇点，是人类根据观察宇宙现象，再把这些现象总结成物理定律，再用这些物理定律，经过计算反推所复原出来的，最接近真像的一种宇宙诞生的过程。至于宇宙为什么会形成大爆炸，还是一个谜，奇点的原理，也是一个谜。还都没有科学定理能解释。这都不是人类所发现的物理定律能解释的。
就和黑洞一样，黑洞内部物理学已经无法解释了。因为这超过了人类现存物理定律所能推导和计算的范围。
而现在是21世纪了，好象有了更进一步的进展。就是真空不空理论。以前人们认为水银柱形成的真空，是什么都没有的。后来认识到，至少里面还有宇宙射线在不断的穿透这些真空。再后来又认识到，真空里也有真空涨落现象。真空之中，不断在在生成正负粒子对，又迅速湮灭。这种湮灭非常迅速，对人类正常生活没有影响。只有在黑洞附近才会产生影响，导致黑洞蒸发和崩溃毁灭。（想了解真空涨落请去b站搜《世上有几人能活到这短片结束？》）
现在人类又发现引力会使空间弯曲，再结合真空涨落现象，从而认识到，空间本身就是一种具有能量的实体。只不过，这种能量实体，是以一种惰性的状态存在。轻易不会被宇宙中的各种现象所扰动。目前能让空间发生变化的，只有引力。（请搜看《宇宙的结构1-4》）
空间就象一个巨大的载体，宇宙中的一切就在空间之中存在的。
所以，宇宙和物质并没有凭空出现，可能就是在空间中产生的。因为空间本身并不是一无所有，所以，你的这个悖论，就不成立了。
至于，空间又是什么东西，有什么性质，如何出现的,拥有多少能量。这些都需要继续研究。还是那句话，人类知识是基于观察，分析，要一步步来。每一个阶段终究是有一个极限的。只有出现了新的理论，现象，才能再往前推一步。科学只能回答已知的。例如：最大的世界后面是不是有更大的世界包裹。最小的东西里是不是有更小的东西，如此无穷追问下去，这超出了人类的思维能力。不仅仅科学回答不了，连科学的起源，哲学也回答不了。因为人类的思维，观察现实世界得来的，不可能一下子就超越现实世界，只能一步步研究。
你的科学知识，还停留在20世纪的程度，所以产生了物质凭空出现的疑问，希望这个回答，能够帮你解惑。 来自于真空的量子涨落
目前的物理学理论支持从无到有生成整个宇宙。
http://pica.zhimg.com/v2-c9cfe8838fbccee8e5267a3867319b8b_r.jpg?source=1940ef5c
横轴是时间，很明显可以看到最左端宇宙的大小变化得非常快，这段宇宙迅速膨胀的时期就叫 暴涨
简单来说，由 https://www.zhihu.com/equation?tex=E%3Dmc%5E2 可知，物体质量对应的能量为正。而两个物体之间的引力势能为负（取无穷远为势能零点，这样我们把物体从无穷远移到两物体距离为R的位置，万有引力做功，引力势能减小，因为引力势能初始就是0，所以此时引力势能为负）
二十世纪六十年代，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）和布莱斯·德威特（Bryce DeWitt）将广义相对论与量子力学初步结合，提出了惠勒·德威特方程式。提出了量子涨落。
QCD真空量子涨落的可视化
1973年12月14日，爱德华·特莱恩（Edward Tryon）在Nature发表了《宇宙是真空涨落的产物吗？》（Is the Universe a vacuum fluctuation?）
特莱恩在论文中指出，我们的浩瀚宇宙起源于看似一无所有的真空的量子涨落。热力学第一定律告诉我们，能量是守恒的，既不能被创造也不能被消灭。因此“无中生有”意味着宇宙来自“零”能量的虚空，这样才不会破坏能量守恒定律。特莱恩从德裔美国物理学家彼得·伯格曼（Peter Bergmann）那里得知，假如物质的质量所对应的正能量与引力势所对应的负能量恰好彼此相消，那么宇宙就会处在净能量等于零的真空状态。1980年7月1日，理论物理学家阿兰·古斯（Alan Guth）在《物理评论D》（Physical Review D）期刊上发表了一篇题为《暴胀的宇宙：关于视界和平坦性问题的一个可能的解决方案》（Inflationary Universe: A possible solution to the horizon and flatness problems）的论文这篇论文正式回答了特莱恩的论文当年无法回答的一些问题，同时提出了著名的“暴涨理论”。这篇文章提出了真空能(vacuum energy)涨落形成的虚粒子可以通过暴涨瞬间膨胀到宏观规模，从而形成早期宇宙。
在宇宙大爆炸发生10^-43秒之后，宇宙温度达到10^32 K，此时量子涨落出来的粒子能量都非常高，可以达到大统一能量级别(约为10^25eV)，这使得玻色子自能过程产生的正反粒子中的反物质有相当大的几率通过cp破缺变成物质(1964年， 克罗宁（James Cronin）和 菲奇（Val Fitch）第一次在中性 K介子的放射性衰变中，发现了新的违反对称性法则的现象。一小部分的K介子没有遵循已有的镜像对称和电荷对称，它们打破了CP联合对称)，而其中的轻子也够通过SU(5)群转变成夸克，进而产生重子。随后随着宇宙膨胀，温度逐渐降低，夸克结合形成质子和中子；接着温度进一步降低，质子和电子结合形成氢原子，部分质子和中子，电子结合形成了氘，氚和氦。之后第一颗恒星出现，恒星核合成反应产生了各种重元素。
而量子涨落从无到有形成宇宙的数学证明在2014年给出 感觉这个问题出现过好多次了，这次稍微系统的回答一下。
“物质不能凭空出现”这个概念大体是从标准模型而来的。标准模型的任何相互作用都维持轻子（Lepton）数守恒。也就是说，相互作用之前有多少个轻子，相互作用后就有多少个轻子，不会增加也不会减少。比如一个最简单的pair production，一个高能量的光子产生一个电子和一个反电子。在这个过程中，相互作用之前我们有1个光子，光子不是轻子所以是0轻子；相互作用之后我们有一个电子（轻子数+1）和一个反电子（轻子数-1），总的轻子数还是0，所以轻子数是守恒的。同样的守恒也包括了重子（Baryon）数。标准模型中的重子数也是守恒的，而轻子和重子一起，组成了我们世界中的绝大多数物质。所以从标准模型的角度来说，物质既不会凭空产生也不会凭空消失，因为轻子和重子的任何相互作用，作用前和作用后都有同等数量的轻子/重子。
如果我们的宇宙严格遵循标准模型，那么在奇点的宇宙大爆炸之后，宇宙中会存在同等数量的粒子和反粒子。粒子和反粒子相互湮灭，放出巨大的能量，但留不下任何物质，地球和人类都不会存在。换一个角度想，这也说明标准模型肯定不是大一统理论。必然有一些其它的机制，导致宇宙大爆炸所创造的粒子和反粒子数量不一致，或者说粒子的总数超越了反粒子的总数，从而出现了我们现在的物质宇宙。这个机制一定是不包含在标准模型中的，所以我们把它叫做超越标准模型的物理（Beyond Standard Model， BSM physics）。
另一方面，标准模型也并非完美的，因为它是一个基于重整化（renormalization）的模型。至于什么是重整化，这实在不是三言两语能够讲清楚的，简单来说就是它只能描述d<=4的相互作用。当d>4的时候，用量子场论/标准模型的方法来研究这个相互作用就会得到一个无法收敛的积分。现在的学界普遍认为，之前提到的轻子数和重子数守恒是一个在d<=4情景下的accidental symmetry。当d>4的时候，这个守恒并不一定依然存在，取而代之的是一个（重子-轻子）数的守恒。在这个情况下，我们就可以得到额外的重子和额外的轻子，以至于产生了宇宙初期的物质。如果说宇宙大爆炸产生了100%的物质，那么99.9999%的粒子和反粒子相互湮灭产生能量，剩下的0.00001%则是多出来的粒子，这些多出来的粒子就组成了我们现在看到的宇宙。这个过程有一个非常浪漫的名字叫做轻子创世纪（Leptogenesis)和重子创世纪（Baryogenesis)。
至于导致轻子创世纪和重子创世纪的相互作用到底是什么，现在学界还没有定论，不过有不少候选相互作用。一般的方法是使用EFT来构建不同的effective Lagrangian，之后用实验来测试这个Lagrangian。一般而言会从d比较低的情况向上找，因为d比较低代表这个相互作用被压制的越轻，换句话说越容易找到。现在已经被证明的唯一的d=5的Lagrangian就是Majorana中微子的项，这也是我PhD所研究的课题，但任何Majorana过程都可以作为这个过程的候选项。 那是物理v1.0的过时知识了。
在物理v1.0里面，质量和能量是分别守恒的，质量守恒定律和能量守恒定理各管各的，谁都不碍着谁。
但后来物理学家发现质量守恒、能量守恒都是错的。能量和质量之间在严格限制的条件下可以相互转化(且可转换的是所谓的“动质量”)，转换比例由E=MC^2决定。但能量和质量的总和总是守恒的，这就是质能守衡定理。
换句话说，在物理v2.0里面，质量/能量各自并不守恒，但两者的总量守恒。
不仅如此，物理v2.0还发现，这个世界是量子的、概率的……
在新的图景里，“物质”或者说微观粒子无时无刻自动的从虚空中“冒”出来，就好像它们凭空“借”到了能量一样。但这种粒子并不能长久存在，很短的一瞬之后，它就会归还自己借来的能量、重新归于虚无。因此我们叫它“虚粒子”。
基于波粒二象性理论，每个微观粒子都会伴随一个波；而波有波长。那么如果我们弄出两块挨的非常近的平行金属板，这个狭小的距离就会限制虚粒子的产生，使得板子中间“涌”出的虚粒子少于自由空间。
我们知道，气压是粒子和物质表面碰撞所形成的宏观力；如果两块金属板之间的虚粒子密度可以更低，那么这些虚粒子碰撞产生的平均力（也就是压力）就会小于金属板外侧自由空间那密度更大的虚粒子产生的“气压”——哪怕整个装置置于真空，源于虚粒子的“气压差”也会毫厘不爽的出现。这个气压差在宏观上表现为一个静压力，它被命名为“卡西米尔力(Casimir Force)”。
这个力由荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）于1948年提出，于1996年被实验证实。
卡西米尔效应_百度百科
卡西米尔效应 - 百度文库
科学网-卡西米尔力 - 苗兵的博文
显然，物质就是可以凭空出现、凭空消失；只是必须满足“质能守衡”的约束而已。
比如引起卡西米尔力的那些虚粒子，它们的出现就依赖于凭空借来的质量和能量；这个质量/能量亏空会在短短一瞬间被填补回去，于是虚粒子就消失了。
但是科学家发现，引力势能在性质上相当于“负能量”；且从天文尺度上说，这个能量和宇宙中物质质量所对应的能量恰恰匹配……这就引起了一个猜想：或许整个宇宙都是凭空产生的。
说的更具体点：整个宇宙都是“真空涨落”产生的虚粒子构成；只不过，这些“虚”粒子借来的能量迟迟没有归还、而是被以“引力势能”的方式记在帐上——记了过百亿年都没有归还而且似乎下一个百亿年也没有归还的意思。
靠着借来的这么一笔“巨债”，地球太阳银河系以及整个宇宙，就这么诞生了。
至于奇点嘛……首先，现有理论不支持从单一奇点“爆”出我们宇宙这样大尺度的均匀结构；其次，奇点并不是必需的，宇宙完全可以以某种不需要奇点的方式开始演化。
由于光速限制，我们仅仅能看到周围几百亿光年这个范围而已；或许更远的、从理论上就禁止我们看见的地方，有一片区域正在“宇宙收缩”呢——换句话说，我们能探测到的、最远最古老的宇宙空间未必就是宇宙的边缘，就好像我们看到的地平线并不是大地的边缘一样。
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