「虛無」的宇宙學意義

文章來源：Ethan Siegel｜利維坦（ID: liweitan2014）

利維坦按：

自古希臘以來，哲學家們就虛無/虛空的討論便由來已久。亞里斯多德很樸素地認為，自然厭惡真空，「沒有物體裡的虛空」，「沒有和物質分離的虛空」，這和我們說的「真空」是否是一回事呢？如果從量子場論來看，「真空」只是量子場的能量最低狀態，但真空中仍舊有場的存在，也就是說，從物質層面來說，絕對意義上的真空並不存在。

當然，作為普通人，我們也很容易從物理層面跳脫出來，進入到哲學意義上的感喟。佛家的「空無」似乎也對應了如今學界的某些觀點：世間萬物只是我們思維/觀念構建的產物，而離開思維，這一切終歸是沒有固定價值的。

一個真空的宇宙空間區域意味著廣袤宇宙，那裡每一個點都是一個遙遠的星系。在圖片中，我們可以非常清楚地看到星團/空隙結構，這說明宇宙並非在所有尺度上都具有完全均勻的密度。而目之所及，我們皆可在宇宙中發現「某物」。© ESA/HERSCHEL/SPIRE/HERMES

正如我們今天看到的一樣，宇宙無疑充滿了「物質」。我們所看到的、感覺到的和與之相互作用的一切，在最本質的層面上都是由亞原子粒子組成，自宇宙存在以來，它們已經形成了各種大型結構，包括人類、行星、恆星、星系和星系團。它們都遵循相同的物理定律，並存在於萬物所處的相同時空中。

我們今天在宇宙中看到和經歷的所有事物，都只存在了一段時間。宇宙中不是一直都有星系、恆星或原子的，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呢？

儘管源於「某物」似乎是顯而易見的答案，但這未必是正確的；它們可能是從無到有。在這種語境下，「無」對科學家來說意味著什麼？根據不同的詢問對象，你可能會得到四個不同的答案。

宇宙廣袤多樣、富有趣味，充滿了各種形式的物質和能量，它按照物理學規律在時空的舞臺上運轉。哈勃太空望遠鏡拍攝的星系團IDCS J1426.5+3508就是例證。然而，在真正達成「無」之前，需要移除多少東西？© NASA, ESA, AND M. BRODWIN (UNIVERSITY OF MISSOURI)

1.）在這種情況下，創造「某物」的原材料是不存在的。如果沒有必需的粒子，就不可能有星系、恆星、行星或人類。我們所知道的和與之相互作用的一切，都是由亞原子物質粒子構成的；這些粒子正是我們所知的宇宙的形成基礎。

就一個充滿物質的宇宙而言，我們知道它是如何膨脹、冷卻、受引力作用而形成我們今天所知的宇宙。我們知道恆星是如何生長和消亡的，這個過程會產生重元素，進而形成低質量的恆星、巖質行星、有機分子，最終帶來生命的可能性。但我們是如何得到這個充滿物質的宇宙，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。

在夸克/反夸克對消失之後，剩餘的物質粒子在中微子、反中微子、光子和電子/正電子對的背景下，自行結合成質子和中子。在宇宙中，電子的數量會超過正電子的數量，以精確匹配質子的數量，從而保持其電中性。這種物質-反物質的不對稱性是如何產生的，是當代物理學中一個懸而未決的重大問題。© E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

這也是物理學最大的謎題之一：如果物理學定律證實我們只能創造出等量的物質和反物質，那麼在這個宇宙中，我們看到的所有結構為何都是由物質而非反物質組成的呢？我們所知曉的每一顆行星、恆星和星系都由物質組成，而非反物質。那麼，如果宇宙不是一直存在的，又是如何創造出這些必需的原始成分的呢？

這就是「宇宙中的物質是從無到有」這一說法的含義。物質-反物質非對稱性的起源被物理學界稱為重子生成謎題，是當今物理界尚未解決的最大問題之一。科學家已經提出了許多猜想和機制，且理論上是可行的，但我們尚不知道確切答案。我們根本不知道為什麼是「有」（物質比反物質多）而不是「無」（物質和反物質等量）。

宇宙是一個神奇的地方，它如今的存在是非常值得我們感恩的。雖然我們壯觀的太空圖片上有豐富的星系，但宇宙中的大部分空間裡是完全沒有物質、星系和光的。我們只能設想一個接近於無物的宇宙。© NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA); J. BLAKESLEE

2.）無是虛無的真空。也許你更喜歡用字面意義上的「無物（nothing）」來定義「無（no thing）」。如果遵循這一思路，那麼第一個定義是不充分的：它顯然包含「某些東西」。為了實現「空無一物」，你必須除去物質的每一個基本成分。連輻射量子都必須去掉。從幽靈中微子（中微子不帶電，自旋為1/2，以接近光速運動，質量非常輕，像幽靈一樣的存在，科學家們就以 「幽靈中微子」來描述它，譯者注）到任何暗物質，每個粒子和反粒子都必須移除。

如果你能以某種方式將它們全部移除，那就能確保唯一留下的是真空本身。宇宙中沒有粒子和反粒子，沒有物質和輻射，也沒有任何類型的可識別量子，所剩下的只是虛無的真空本身。對某些人來說，這才是「無」的真正科學定義。

上圖為演示量子真空中虛擬粒子的量子場論計算的視覺化效果（特別是對於強相互作用）。即使在真空區，這種真空能量也是非零的，從空間曲率不同的角度來看，彎曲空間中同一個區域的「基態」看起來也不同。只要量子場存在，該真空能量（或宇宙常數）也必須存在。© DEREK LEINWEBER

但是即使在這種高度限制和假想的情況下，某些物理實體仍然存在。物理定律仍然發生作用，這意味著量子場仍遍布於宇宙中。其中包括電磁場、引力場、希格斯場（以物理學家彼得·希格斯姓氏為名，是一種假定遍布於全宇宙的量子場。按照標準模型的希格斯機制，某些基本粒子因為與希格斯場之間相互作用而獲得質量。譯者注）以及核力場。廣義相對論下的時空仍然存在。基本常數也都存在，並且和我們已觀察到的值相同。

而且，也許最重要的是，空間的零點能量仍然存在，並且仍處於其當前的正非零值。今天，這種能量表現為暗能量（驅動宇宙運動的一種能量，不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測，譯者注）；在大爆炸之前，這種能量表現為宇宙膨脹的形式，而宇宙膨脹最終催生了整個宇宙。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」的形式仍然會生成一個迷人的宇宙。

圖示為一個沒有任何物質、能量和曲率的扁平空曠的空間。如果該空間具有最低的零點能量，它就不可能再縮小。© AMBER STUVER, FROM HER BLOG, LIVING LIGO

3.）「無」可能是理想的時空中最低能量狀態。現在，我們的宇宙有一個零點能量，或者說是空間本身固有的能量，其值為正非零值。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），抑或是可以走得更低。我們仍然有可能處於假真空狀態，而真正的真空狀態，或者說真正的最低能量狀態，可能會更接近於零，也可能實際上完全歸零（或更低）。

若從我們現在的狀態轉變為那種狀態，就可能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。這將為我們的生存帶來許多不良影響。光子將變成一個巨大的粒子，電磁力只會在很短的範圍內傳播，我們的恆星發出的所有光線都無法到達地球。

假真空中的標量場φ。請注意，能量E高於真正真空或基態的能量值，但是有一道屏障阻止了標量場向下滾動到真正真空。還要注意最低能量（真正真空）狀態如何具有有限的正非零值。我們已知許多量子系統的零點能量都大於零。© WIKIMEDIA COMMONS USER STANNERED

但如果把它想像成一種真正「無」的狀態，也許這是保持物理定律完整不變的理想場景。（儘管某些規則會有所不同。）如果能夠達到宇宙的真正基態——無論它看起來是什麼樣子——並將所有的物質、能量、輻射、時空曲率和波紋等從宇宙中驅逐出去，你就會得到 「無」在物理上的終極概念。

你至少還有一個讓宇宙發揮作用的舞臺，但是沒有演員。這場戲劇中沒有角色，沒有劇本，也沒有場景，但巨大的物理上「無」的深淵仍然為你提供了舞臺。宇宙真空將處於絕對最小值，且無法從中提取功、能量或任何真實的粒子（或反粒子）。然而，在某些人看來，這仍然有「某物」的味道，因為空間、時間和規則仍然存在。

今天宇宙中存在的一切都起源於熱大爆炸。從根本上說，我們今天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。© NASA / GSFC

4.）只有當你移除整個宇宙和支配它的法則時，無才會出現。這是最極端的情況：一個脫離現實的情況——脫離空間、時間和物理規則本身——想像一個柏拉圖式的理想狀態下的無。我們可以設想移除一切可以想像的事物：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，這是純粹的哲學意義上的無。

在物理學的語境下，這就產生了一個問題：這種「無」沒有任何意義。我們不得不假設存在著一種處於時空之外的狀態，而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種假設的、理想化的狀態中產生。

在宇宙膨脹的過程中，時空本身在量子尺度上的波動在宇宙中被拉伸，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」，但並非所有人都同意。

© E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH

不幸的是，我們不知道這種思路是否具有任何物理意義。有可能這只是我們對現實之外的事物的一種紙上談兵，與任何實際存在的事物都沒有聯繫。當我們這樣思考時，就會立即產生許多沒有確定答案的問題。這些問題包括：

·在沒有「空間」（形容位置）和「時間」（形容時刻）之類的事物時，時空是如何在特定位置或時刻出現的？

·如果沒有空間，我們真的能想像宇宙「之外」的事物嗎？如果沒有時間，又如何「有開端」呢？

·支配粒子及其相互作用的規則從何而來？

這個對「無」的最終定義，雖然在哲學上確實是最令人滿意的，但可能根本沒有意義。它可能只是由於人類直覺不充分所產生的一種邏輯結構。

從根本上說，即使是純真空，也仍然充滿了量子場，這會影響空間的零點能量值。在知道如何進行這種計算之前，我們必須對得出的值進行假設，或者承認我們不知道如何計算。

© NASA/CXC/M.WEISS

當科學家們談論「無」時，往往會互相交流，認為他們對「無」的定義是唯一有效的。但這裡並沒有達成共識：語言是模稜兩可的，「無」的概念在不同的語境中對人們的意義是不同的。「從無到有」可能代表從根本上產生從前不存在的某物，但不是所有人都會同意「無」是它的由來。

這四個定義在其各自的角度都是正確的，但最重要的是理解說話者在談論特定形式的「無」時的意思。每個定義都有自己的適用和有效範圍，涉及物質起源、暗能量、宇宙膨脹、空間本身的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：它們全都是我們自己的構想。我們所知道的一切當然都源自於「無」。關鍵是要了解如何源自於「無」。

文/Ethan Siegel

譯/Amanda

校對/Yord

原文/medium.com/starts-with-a-bang/the-four-different-meanings-of-nothing-to-a-scientist-283d9ad185fd/

本文基於創作共同協議（BY-NC），由Amanda在利維坦發布

文章僅為作者觀點，未必代表利維坦立場

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