上學的時候,物理老師告訴我們,「真空」就代表著「無」,即什麼都沒有。即使在今天的中學課堂上,物理老師依然在這樣對學生解釋「真空」的概念。但事實上,隨著基礎物理學的發展,一切已經時過境遷,過去的幾年人們已經在大型強子對撞機(LHC)中發現了「上帝粒子」——希格斯粒子,而它是宇宙誕生之初一切物質質量的起源,也是宇宙萬物從無到有的根本。
在當代物理學中,「真空」這個概念已經過時了。廣義相對論與量子力學是當代物理學的兩大支柱理論,在研究這兩個理論的所有物理學家中,無論是理論物理學家還是實驗物理學家,如今都有一個基本共識——根本不存在「真空的空間」這種事物。事實上,我們過去說的所謂「真空的空間」,實際上是由亞原子粒子構成的「粒子湯」,沒有任何人任何辦法能夠將它們從空間中清除掉。
科學家說當前豐富多彩的宇宙曾經有一個起始,起始點在138億年前的某個瞬間,世界從一個單一的沒有任何結構的無窮小區域,演化為如今這個充滿了活力的世界,包含無數物質,它們構成了星系、恆星、行星和人類。那麼,物質又是如何起始的?最終形成物質的質子和中子是如何起始的?物理學家們抽絲剝繭,層層往前追溯探究,回到宇宙的初始狀態,發現一切都起源於「希格斯真空」。但到這裡我們又不得不問,希格斯真空中充滿了希格斯粒子,最初的希格斯粒子又從何而來?
只有弄明白了這些問題,我們才能理解宇宙萬物如何從無到有。但現在,即使最權威的粒子物理學家也不能確切地回答這個問題,一切還只能基於推測。推測認為,最初的希格斯粒子,來自於宇宙大爆炸之後不久隨著溫度降低而產生的物態變化的殘餘。所謂溫度降低導致物態變化,你可以想像為冬夜窗戶玻璃上凝結的冰晶,從沒有固定形態的水蒸氣到具有美麗形狀的冰晶,實則就是構成物質的粒子從高能態躍遷到較低的能態,是自然發生的,由基本粒子的躍遷和分支規則決定。
科學家認為,在宇宙誕生的早期,最基本粒子(不是已知的基本粒子)的熱氣態處於沸騰狀態,這也是宇宙的初始狀態。隨著宇宙的膨脹和整體溫度的下降,出現了短暫的量子波動,最基本粒子由高能態轉變為低能態,出現了「冷凝體」,這個冷凝體就是希格斯粒子。這個過程是自然發生的,猶如水蒸氣遇冷在玻璃上凝結而看似「無中生有」一樣,也正如晨露出現於清晨。
隨著宇宙的進一步冷卻,夸克和膠子也出現了冷凝,它們通過先出現的希格斯粒子產生相互作用,導致了質子和中子的形成。粒子物理學家們認定,正是希格斯真空才是現在所觀察到所有基本粒子的質量產生的原因,這些基本粒子包括夸克、電子、緲子、陶子以及W粒子和Z粒子。說到這裡,我相信很多讀者仍然是一頭霧水。我最深切的感受是,雖然量子理論因為晦澀難懂看似高深莫測,但它距離能真正了解大自然還差得很遠,對於一些絕對基礎的問題,物理學家們還沒有弄明白。