人們常說,你不可能空手套白狼,你不可能無中生有,這些話適用於生活中的大多數情況,也是我們所知的真理。但是並不適用於我們的物理宇宙。
我這裡說的不僅僅是宇宙中的一小部分,而是整個我們所能認知到的宇宙。現在看一下你周圍的一切,不管是你辦公桌上的陳設物品,或者是地球上的生命奇蹟,還是數十億光年之外的宇宙中所能看到的一切,我們每個人都很好奇,這一切來源於哪裡?宇宙真的是無中生有嗎?要解答這個問題,我們首先要了解「無」的科學定義!
在科學中什麼是「無」
幾個世紀以來我們試圖用科學的方法來回答這個問題。為了了解這一切的來源,我們首先要給「無」下一個科學的定義。現在我們知道,在宇宙中充滿了物質、輻射和能量,如果我們把以上這三種東西都排除在外,創造一個完美的、寒冷的、孤立的真空,你認為真空中還剩下什麼?是真正的「無」嗎?在我們的意識裡,這是肯定的!
根據廣義相對論,我們知道質量或能量的存在,就會扭曲宇宙的時空結構,也就是說,如果我們想真正達到物質虛無的狀態,我們的宇宙就什麼都沒有。從理論上講,理想的情況就是真實的虛無:沒有輻射,沒有能量,沒有空間曲率。我們可以想像一個完全空無一物的空間,我們周圍的時空沒有曲率,而是完全平坦的。
這種「無」在我們宏觀世界中是真正意義上的無,而我們目前的科學理論認為整個宇宙就是從這種虛無中誕生的。
如果我們將宇宙中的所有物質、能量和曲率移除,就只剩下一個空的時空。在大尺度上(這裡的「大」意味著比質子等亞原子粒子大)時空確實看起來像我們上文中提到的平面網格。但是如果我們開始觀察更小的尺度,這幅空的時空圖景就不成立了。
在最小的物理尺度上(普朗克尺度)時空根本不是平的。空無一物的空間本身會振動和彎曲,在任何給定的時間內,看似空無一物的空間中其包含的能量存在根本的不確定性。
在非常小的尺度上,量子真空通過在非常短的時間內自發地產生成對的粒子和反粒子來表現出量子層面的基本不確定性。這不僅是理論上預測,也是實驗性的事實。
我們可以人為地製造一個真空室,雖然這個真空室不是很完美,但足以探測到真空中自發產生的粒子-反粒子對的物理效應。
在一個真空室裡面放兩個平行的不帶電的金屬板,如果沒有真空量子漲落,板塊之間的力由萬有引力決定。但是如果我們把兩塊板靠得足夠近,就會發現真空波動會導致板塊互相吸引!這種吸引力在本質上純粹是量子漲落引起的,1948年以來我們已經探測到了這種效應,而且是絕對可靠的實驗證據,這就是虛無的物理本質。現在,我們把真空量子漲落和時空膨脹結合起來!
一個充滿量子漲落的真空和空間膨脹的結合會發生什麼
我們都知道宇宙在早期經歷了暴漲階段,宇宙空間呈現出指數膨脹,如果宇宙膨脹得足夠快,真空量子漲落產生的虛擬粒子對可能會陷入膨脹的時空中,也就是說產生的虛擬粒子對還沒來得及湮滅,就會被空間的暴漲分隔開來,不會再次湮滅,而是延伸到「空」時空中!
如果宇宙的早期存在於亞穩態或假真空狀態,那麼只要保持這種狀態,量子漲落就在宇宙的各個尺度上被拉伸。
但宇宙暴漲這種狀態不會永遠持續下去;宇宙最終會處在一種更加穩定的狀態。當這種情況發生時,也就是宇宙暴漲結束的時候,宇宙會從亞穩態向更穩定的狀態轉變的過程中自發地產生物質和能量,這個過程被稱為宇宙再加熱。
曾經延伸到整個宇宙的量子漲落,就變成了物質/能量最初比平均密度略高或略低的區域。
隨著宇宙年齡的增長,在萬有引力的作用下,在數百萬乃至數十億年的時間裡,密度更大的區域不斷增長,形成了今天充斥著我們的宇宙的恆星、星系和星團。
當宇宙發展到今天的時候,我們就看了到現在所處宇宙的模樣。我們從無到有,這一切都來自於只包含量子真空能量的空時空,是「虛無」的真空創造了今天的宇宙,創造了數十億個星系、恆星,以及我們所知道的一切。
我們所知道的一切正是來自虛無的真空
最令人驚奇的是我們現在看到的宇宙仍然在膨脹,而且空間中還包含了少量的真空能量。
這說明宇宙暴漲停止時,有一部分真空能量被鎖定在了真空中,真空仍然有一個非零的基本能量。這種時空的基本結構,最終會隨著恆星燃燒、死亡、星系分離、所有不穩定的粒子的衰變,會讓宇宙在遙遠的未來再次進入一個寒冷、平坦、空虛、膨脹的虛無狀態。
因此整個宇宙來自於一種虛無的狀態,而我們的宇宙最終也會返回到另外一種稍微不同的虛無狀態。一切都從這個虛空中來,我們本身就是虛無。