“虚无”的宇宙学意义

利维坦按：

自古希腊以来，哲学家们就虚无/虚空的讨论便由来已久。亚里士多德很朴素地认为，自然厌恶真空，“没有物体里的虚空”，“没有和物质分离的虚空”，这和我们说的“真空”是否是一回事呢？如果从量子场论来看，“真空”只是量子场的能量最低状态，但真空中仍旧有场的存在，也就是说，从物质层面来说，绝对意义上的真空并不存在。

当然，作为普通人，我们也很容易从物理层面跳脱出来，进入到哲学意义上的感喟。佛家的“空无”似乎也对应了如今学界的某些观点：世间万物只是我们思维/观念构建的产物，而离开思维，这一切终归是没有固定价值的。

一个真空的宇宙空间区域意味着广袤宇宙，那里每一个点都是一个遥远的星系。在图片中，我们可以非常清楚地看到星团/空隙结构，这说明宇宙并非在所有尺度上都具有完全均匀的密度。而目之所及，我们皆可在宇宙中发现“某物”。© ESA/HERSCHEL/SPIRE/HERMES

正如我们今天看到的一样，宇宙无疑充满了“物质”。我们所看到的、感觉到的和与之相互作用的一切，在最本质的层面上都是由亚原子粒子组成，自宇宙存在以来，它们已经形成了各种大型结构，包括人类、行星、恒星、星系和星系团。它们都遵循相同的物理定律，并存在于万物所处的相同时空中。

我们今天在宇宙中看到和经历的所有事物，都只存在了一段时间。宇宙中不是一直都有星系、恒星或原子的，所以它们一定是在某个时刻出现的。但是它们是从哪里来的呢？

尽管源于“某物”似乎是显而易见的答案，但这未必是正确的；它们可能是从无到有。在这种语境下，“无”对科学家来说意味着什么？根据不同的询问对象，你可能会得到四个不同的答案。

宇宙广袤多样、富有趣味，充满了各种形式的物质和能量，它按照物理学规律在时空的舞台上运转。哈勃太空望远镜拍摄的星系团IDCS J1426.5+3508就是例证。然而，在真正达成“无”之前，需要移除多少东西？© NASA, ESA, AND M. BRODWIN (UNIVERSITY OF MISSOURI)

1.）在这种情况下，创造“某物”的原材料是不存在的。如果没有必需的粒子，就不可能有星系、恒星、行星或人类。我们所知道的和与之相互作用的一切，都是由亚原子物质粒子构成的；这些粒子正是我们所知的宇宙的形成基础。

就一个充满物质的宇宙而言，我们知道它是如何膨胀、冷却、受引力作用而形成我们今天所知的宇宙。我们知道恒星是如何生长和消亡的，这个过程会产生重元素，进而形成低质量的恒星、岩质行星、有机分子，最终带来生命的可能性。但我们是如何得到这个充满物质的宇宙，而不是一个物质和反物质数量相等的宇宙呢？这是从无到有的第一个科学意义。

在夸克/反夸克对消失之后，剩余的物质粒子在中微子、反中微子、光子和电子/正电子对的背景下，自行结合成质子和中子。在宇宙中，电子的数量会超过正电子的数量，以精确匹配质子的数量，从而保持其电中性。这种物质-反物质的不对称性是如何产生的，是当代物理学中一个悬而未决的重大问题。© E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

这也是物理学最大的谜题之一：如果物理学定律证实我们只能创造出等量的物质和反物质，那么在这个宇宙中，我们看到的所有结构为何都是由物质而非反物质组成的呢？我们所知晓的每一颗行星、恒星和星系都由物质组成，而非反物质。那么，如果宇宙不是一直存在的，又是如何创造出这些必需的原始成分的呢？

这就是“宇宙中的物质是从无到有”这一说法的含义。物质-反物质非对称性的起源被物理学界称为重子生成谜题，是当今物理界尚未解决的最大问题之一。科学家已经提出了许多猜想和机制，且理论上是可行的，但我们尚不知道确切答案。我们根本不知道为什么是“有”（物质比反物质多）而不是“无”（物质和反物质等量）。

宇宙是一个神奇的地方，它如今的存在是非常值得我们感恩的。虽然我们壮观的太空图片上有丰富的星系，但宇宙中的大部分空间里是完全没有物质、星系和光的。我们只能设想一个接近于无物的宇宙。© NASA, ESA, HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI / AURA); J. BLAKESLEE

2.）无是虚无的真空。也许你更喜欢用字面意义上的“无物（nothing）”来定义“无（no thing）”。如果遵循这一思路，那么第一个定义是不充分的：它显然包含“某些东西”。为了实现“空无一物”，你必须除去物质的每一个基本成分。连辐射量子都必须去掉。从幽灵中微子（中微子不带电，自旋为1/2，以接近光速运动，质量非常轻，像幽灵一样的存在，科学家们就以 “幽灵中微子”来描述它，译者注）到任何暗物质，每个粒子和反粒子都必须移除。

如果你能以某种方式将它们全部移除，那就能确保唯一留下的是真空本身。宇宙中没有粒子和反粒子，没有物质和辐射，也没有任何类型的可识别量子，所剩下的只是虚无的真空本身。对某些人来说，这才是“无”的真正科学定义。

上图为演示量子真空中虚拟粒子的量子场论计算的视觉化效果（特别是对于强相互作用）。即使在真空区，这种真空能量也是非零的，从空间曲率不同的角度来看，弯曲空间中同一个区域的“基态”看起来也不同。只要量子场存在，该真空能量（或宇宙常数）也必须存在。© DEREK LEINWEBER

但是即使在这种高度限制和假想的情况下，某些物理实体仍然存在。物理定律仍然发生作用，这意味着量子场仍遍布于宇宙中。其中包括电磁场、引力场、希格斯场（以物理学家彼得·希格斯姓氏为名，是一种假定遍布于全宇宙的量子场。按照标准模型的希格斯机制，某些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量。译者注）以及核力场。广义相对论下的时空仍然存在。基本常数也都存在，并且和我们已观察到的值相同。

而且，也许最重要的是，空间的零点能量仍然存在，并且仍处于其当前的正非零值。今天，这种能量表现为暗能量（驱动宇宙运动的一种能量，不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测，译者注）；在大爆炸之前，这种能量表现为宇宙膨胀的形式，而宇宙膨胀最终催生了整个宇宙。这就是“宇宙从无到有”这句话的由来。即使没有任何类型的物质或辐射，这种“无”的形式仍然会生成一个迷人的宇宙。

图示为一个没有任何物质、能量和曲率的扁平空旷的空间。如果该空间具有最低的零点能量，它就不可能再缩小。© AMBER STUVER, FROM HER BLOG, LIVING LIGO

3.）“无”可能是理想的时空中最低能量状态。现在，我们的宇宙有一个零点能量，或者说是空间本身固有的能量，其值为正非零值。我们不知道这是否是宇宙真正的“基态”（即可能的最低能量状态），抑或是可以走得更低。我们仍然有可能处于假真空状态，而真正的真空状态，或者说真正的最低能量状态，可能会更接近于零，也可能实际上完全归零（或更低）。

若从我们现在的状态转变为那种状态，就可能导致一场永远改变宇宙的灾难：一场被称为真空衰变的噩梦。这将为我们的生存带来许多不良影响。光子将变成一个巨大的粒子，电磁力只会在很短的范围内传播，我们的恒星发出的所有光线都无法到达地球。

假真空中的标量场φ。请注意，能量E高于真正真空或基态的能量值，但是有一道屏障阻止了标量场向下滚动到真正真空。还要注意最低能量（真正真空）状态如何具有有限的正非零值。我们已知许多量子系统的零点能量都大于零。© WIKIMEDIA COMMONS USER STANNERED

但如果把它想象成一种真正“无”的状态，也许这是保持物理定律完整不变的理想场景。（尽管某些规则会有所不同。）如果能够达到宇宙的真正基态——无论它看起来是什么样子——并将所有的物质、能量、辐射、时空曲率和波纹等从宇宙中驱逐出去，你就会得到 “无”在物理上的终极概念。

你至少还有一个让宇宙发挥作用的舞台，但是没有演员。这场戏剧中没有角色，没有剧本，也没有场景，但巨大的物理上“无”的深渊仍然为你提供了舞台。宇宙真空将处于绝对最小值，且无法从中提取功、能量或任何真实的粒子（或反粒子）。然而，在某些人看来，这仍然有“某物”的味道，因为空间、时间和规则仍然存在。

今天宇宙中存在的一切都起源于热大爆炸。从根本上说，我们今天拥有的宇宙只能因为时空的特性和物理定律而产生。没有它们，我们将无法以任何形式存在。© NASA / GSFC

4.）只有当你移除整个宇宙和支配它的法则时，无才会出现。这是最极端的情况：一个脱离现实的情况——脱离空间、时间和物理规则本身——想象一个柏拉图式的理想状态下的无。我们可以设想移除一切可以想象的事物：空间、时间和现实的支配规则。物理学家对这里的任何东西都没有定义，这是纯粹的哲学意义上的无。

在物理学的语境下，这就产生了一个问题：这种“无”没有任何意义。我们不得不假设存在着一种处于时空之外的状态，而时空本身以及支配我们所知的所有物理实体的规则都可以从这种假设的、理想化的状态中产生。

在宇宙膨胀的过程中，时空本身在量子尺度上的波动在宇宙中被拉伸，导致密度波和引力波的缺陷。虽然膨胀的空间在很多方面都可以被称为“无”，但并非所有人都同意。

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

不幸的是，我们不知道这种思路是否具有任何物理意义。有可能这只是我们对现实之外的事物的一种纸上谈兵，与任何实际存在的事物都没有联系。当我们这样思考时，就会立即产生许多没有确定答案的问题。这些问题包括：

·在没有“空间”（形容位置）和“时间”（形容时刻）之类的事物时，时空是如何在特定位置或时刻出现的？

·如果没有空间，我们真的能想象宇宙“之外”的事物吗？如果没有时间，又如何“有开端”呢？

·支配粒子及其相互作用的规则从何而来？

这个对“无”的最终定义，虽然在哲学上确实是最令人满意的，但可能根本没有意义。它可能只是由于人类直觉不充分所产生的一种逻辑结构。

从根本上说，即使是纯真空，也仍然充满了量子场，这会影响空间的零点能量值。在知道如何进行这种计算之前，我们必须对得出的值进行假设，或者承认我们不知道如何计算。

© NASA/CXC/M.WEISS

当科学家们谈论“无”时，往往会互相交流，认为他们对“无”的定义是唯一有效的。但这里并没有达成共识：语言是模棱两可的，“无”的概念在不同的语境中对人们的意义是不同的。“从无到有”可能代表从根本上产生从前不存在的某物，但不是所有人都会同意“无”是它的由来。

这四个定义在其各自的角度都是正确的，但最重要的是理解说话者在谈论特定形式的“无”时的意思。每个定义都有自己的适用和有效范围，涉及物质起源、暗能量、宇宙膨胀、空间本身的零点能量等一系列特殊的物理问题。但这些概念也有一个缺点：它们全都是我们自己的构想。我们所知道的一切当然都源自于“无”。关键是要了解如何源自于“无”。

文/Ethan Siegel

译/Amanda

校对/Yord

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

本文基于创作共同协议（BY-NC），由Amanda在利维坦发布

文章仅为作者观点，未必代表利维坦立场

原标题：《“虚无”的宇宙学意义》

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