「虛無」對科學家意味著什麼？

我們用的一切，都是由最基本的亞原子粒子構成，它們在宇宙的演化進展中聚集組成了巨大的結構——人、行星、恆星、星系和星系團。它們都遵循相同的物理定律，並存在於萬物所佔據的同一時空環境中。

• 圖註：我們銀河系中一個沒有物質的空間區域揭示了宇宙的另一端，那裡的每一點都是一個遙遠的星系。星系團/空洞結構可以非常清楚地看到，這表明我們的宇宙並非在所有尺度上都具有完全均勻的密度。然而，無論我們在哪裡，我們仍然能在宇宙中找到「某物」。

我們今天在宇宙中看到和經歷的所有這些事情，只存在了有限的時間。宇宙並不總是有星系、恆星或原子，所以它們一定是在某個時刻出現的。但是它們是從哪裡來的？雖然顯而易見的答案似乎是「某物」，但這未必是真的；它們可能是從無到有，而不是從「某物」開始。在這種情況下，「虛無」對科學家意味著什麼？根據這個問題，我們可能會得到四個不同的答案之一。

• 圖註：宇宙是一個廣闊的、多樣的、有趣的地方，充滿物質和能量，以各種形式，並根據物理定律在時空的舞臺上發揮作用。哈勃太空望遠鏡拍攝的星系團IDCS J1426.5+3508就是一個例子。

1.）製造「某物」的原材料不存在的情況。

如果沒有必要的粒子來建造星系、恆星、行星或人類，它們不可能存在。我們所知道並與之相互作用的一切都是由亞原子物質粒子構成的；我們所知道的宇宙由這些原始成分構成。

如果從一個充滿物質的宇宙開始，那麼我們將了解它如何膨脹、冷卻和被引力吸引演化成我們今天所知道的宇宙。我們知道恆星如何生存和消亡，導致產生低質量恆星、巖石行星、有機分子的重元素，並最終產生生命的可能性。但是，我們如何最終得到一個充滿物質的宇宙，而不是一個物質和反物質數量相等的宇宙呢？這是從無到有的第一個科學意義。

• 圖註：在夸克/反夸克對湮滅之後，剩餘的物質粒子在中微子、反中微子、光子和電子/正電子對的背景中結合成質子和中子。在正電子上會有多餘的電子，以精確匹配宇宙中質子的數量，保持其電中性。這種物質與反物質的不對稱性如何產生，這是當代物理學中一個尚未解決的重大問題。

這也是物理學中最大的難題之一：如果物理學定律是這樣的，我們只能創造等量的物質和反物質，那麼我們怎麼會最終得到一個宇宙，在這個宇宙中，我們看到的每一個結構都是由物質而不是反物質構成的？我們所見過的每一顆行星、恆星和星系都是由物質構成的，而不是反物質。那麼，如果宇宙不是與生俱來的，我們是如何製造出這些必需的原料的呢？

這就是當你聽說我們宇宙中的物質是從無到有時的意思。物質反物質非對稱性的起源——物理學界稱之為重質化——是當今物理學中尚未解決的最大問題之一。已經提出了許多想法和機制，並且在理論上可行，但是我們還不知道答案。我們不知道為什麼會有一些東西（比反物質更多的物質）而不是沒有（等量的）。

• 圖註：宇宙是一個神奇的地方，它今天的樣子非常值得感謝。儘管我們最壯觀的太空圖片富含星系，但宇宙的大部分空間完全沒有物質、星系和光。我們只能想像一個宇宙，那裡的空間是真空的。

2.）虛無是空的空間。

也許我們更喜歡一個定義，裡面根本沒有包含&34;。如果遵循這一思路，那麼第一個定義是不充分的：它清楚地包含著「某物」，為了達到虛無，我們必須擺脫物質的每一個基本組成部分。每個量子的輻射都必須移除，從幽靈中微子到任何暗物質，每一個粒子和反粒子都必須被移除。

如果我們能以某種方式將它們全部移除，就能確保留下的唯一東西就是空的空間本身。沒有粒子或反粒子，無論是物質或輻射，在這樣的宇宙中沒有任何類型的可識別的量子，所剩下的只是空曠的空間本身。對某些人來說，這是「虛無」的真正科學定義。

• 圖註：顯示量子真空中虛擬粒子的量子場論計算可視化。（特別是，對於強相互作用）即使在空白空間，這種真空能量也是非零的，從空間曲率不同的觀察者的角度來看，彎曲空間中一個區域的「基態」看起來也不同。只要量子場存在，真空能（或宇宙常數）也必須存在。

但某些物質實體仍然存在，即使在這種高度限制和想像的情況下。物理定律仍然存在，這意味著量子場仍然滲透到宇宙中。這包括電磁場、引力場、希格斯場和由核力產生的場。時空仍然存在，由廣義相對論支配。基本常數仍然存在，都有我們觀察到的相同值。

而且，也許最重要的是，空間的真空零點能量仍然存在，它仍然處於當前的，正的，非零值。今天，這表現為暗能量；在大爆炸之前，這表現為宇宙膨脹的形式，其最終形成了整個宇宙。這就是「宇宙從無到有」這句話的由來。即使沒有任何類型的物質或輻射，這種「無」的形式仍然會導致一個迷人的宇宙。

• 圖註：一種扁平的、空曠的空間的表示，沒有任何類型的物質、能量或曲率。如果該空間具有儘可能低的真空零點能量，則將無法進一步減小它。

3.）虛無是時空中可能的理想最低能量狀態。

現在，我們的宇宙有一個真空零點能量，或者說是空間本身固有的能量，處於一個正的，非零值。我們不知道這是否是宇宙真正的「基態」，即可能的最低能量狀態，或者我們是否還能走得更低。我們仍然有可能處於假真空狀態，而真真空或真最低能量狀態，要麼接近於零，要麼實際上可能一直接近於零（或更低）。

從現在的狀態過渡到那種狀態，可能會導致一場永遠改變宇宙的災難：一場被稱為真空衰變的噩夢。這會給我們的生活帶來許多不愉快的事情。光子會變成一個巨大的粒子，電磁力只會在很短的範圍內傳播，實際上我們的恆星發出的所有陽光都無法到達地球。

• 圖註：假真空中的標量場φ。請注意，能量E高於真實真空或基態的能量，但是存在一個障礙，阻止了場向下滾動到真實真空。還要注意最低能量（真真空）狀態如何具有有限的正非零值。已知許多量子系統的真空零點能量都大於零。

但如果把它想像成一種真正虛無的狀態，也許這是保持物理定律完好無損的理想場景。（儘管有些規則會有所不同）如果我們能夠達到宇宙的真實基態——無論它看起來是什麼樣子——並將所有的物質、能量、輻射、時空曲率和波等從這樣宇宙中驅逐出去，就會留下「物質虛無」的終極概念 。

我們至少還有一個舞臺讓宇宙發揮，但不會有玩家。我們的劇本裡沒有演員，沒有劇本，也沒有場景，但是巨大的物質虛無的深淵仍然為我們提供了一個舞臺。宇宙真空將處於它的絕對最小值，將無法從中提取功、能量或任何真實粒子（或反粒子）。然而，對一些人來說，這仍然有「某物」的味道，因為空間、時間和規則仍然存在。

• 圖註：今天宇宙中出現的這一整套現象，都要歸功於熱大爆炸的起源。更根本的是，我們今天所擁有的宇宙，只能因為時空的特性和物理定律而產生。沒有它們，我們將無法以任何形式存在

4.）虛無只有當我們移除整個宇宙和支配它的法則時才會發生。

這是最極端的情況：一個脫離現實的情況——脫離空間、時間和物理本身——去想像一個柏拉圖式的虛無理想。我們可以設想移除我們能想像的一切：空間、時間和現實的支配規則。物理學家對這裡的任何東西都沒有定義，這是純粹的哲學虛無。

在物理學的背景下，這就產生了一個問題：我們無法理解這種虛無。我們不得不假設，有一種狀態可以存在於時空之外，時空本身，以及支配我們所知的所有物理實體的規則，都可以從這個假設的理想狀態中產生。

• 圖註：在膨脹過程中，時空自身在量子尺度上的漲落在宇宙中被拉伸，導緻密度波和引力波的缺陷。雖然膨脹的空間在很多方面都可以被稱為「無」，但並不是每個人都同意。

不幸的是，我們不知道這條思路是否有任何物理意義。有可能這僅僅是我們想像現實之外的事物的能力的一種鍛鍊，與任何實際存在的事物都沒有聯繫。當我們開始沿著這些思路思考時，許多問題立即出現，沒有明確的答案。它們包括：

• 當沒有「空間」（對於位置）或「時間」（對於瞬間）這樣的東西時，時空是如何在特定的位置或瞬間出現的？
• 如果我們沒有空間，我們真的能想像宇宙之外有什麼東西存在嗎？如果我們沒有時間，我們真的能想像宇宙之外有什麼東西存在嗎？
• 控制粒子及其相互作用的規則將從何而來？

這個對「虛無」的最終定義，雖然在哲學上肯定是最令人滿意的，但可能根本沒有意義。它可能只是一個邏輯結構，由我們不充分的人類直覺證明。

• 圖註：從根本上講，即使是純空的空間，仍然充滿了量子場，這會影響空間的真空零點能量的值。在我們知道如何進行這種計算之前，我們必須對我們得到的值作出假設，或者承認我們不知道如何進行這種計算。

當科學家們一無所獲的時候，他們常常會互相推諉，認為他們對「虛無」的定義是唯一有效的。但是這裡並沒有達成共識：語言是模稜兩可的，虛無的概念對不同語境中的人意味著不同的東西。「從無到有」可能是一種從根本上產生某種東西的情況，但不是所有人都會同意「從無到有」就是它產生的原因。

這四個定義中的每一個都是正確的，但最重要的是理解說話者在談論他們的虛無的特殊形式時的意思。每一個定義都有其適用範圍和有效範圍，適用於從物質起源到暗能量、宇宙膨脹到空間自身的真空零點能量等一系列特殊的物理問題。但這些概念也有一個缺點：它們都由我們自己的思想構成。我們所知道的一切當然都是從零而來，關鍵是要了解如何。