宇宙诞生于虚无？科学如何解释“无中生有”

明明是我

我們的宇宙真的是從「虛無」中誕生的嗎？從虛無到宇宙：一切是如何開始的？

宇宙万物是如何从虚无中诞生的？我们对宇宙中那些巨大的未知领域越是好奇，我们对宇宙的研究就会揭示越多未解之谜。探究任何事物的本质——它在哪里，它从何而来，以及它是如何形成的——都不可避免地会引向同样的重大谜团：关于宇宙及其万物的终极本质和起源。然而，无论我们追溯到多么遥远的过去，那些挥之不去的问题似乎始终存在：在某个时刻，作为我们“起点”的实体并不一定存在，那么它们是如何产生的呢？




这或许是所有问题中最大的一个，因为它本质上不仅要问万物从何而来，还要问这一切最初是如何产生的，以及在此之前存在着什么？至少到目前为止，科学已经取得了这样的进展。
如今，当我们放眼宇宙，即使考虑到已知的不确定性，我们所收集到的全部观测数据都指向一幅极其一致的图景。我们的宇宙由物质（而非反物质）构成，始终遵循着相同的物理定律，并且——至少就我们所知——始于大约138亿年前的一场大爆炸。它受广义相对论支配，不断膨胀、冷却和引力作用，主要由暗能量和暗物质构成，其余部分由普通物质、中微子和辐射构成。
如今，宇宙中充满了星系、恒星、行星、重元素，并且至少在一个地方，存在着智慧生命和先进的科技生命。这些结构并非一直存在，而是宇宙演化的结果。20世纪的科学家们取得了非凡的科学飞跃，重建了宇宙演变的时间线，揭示了宇宙如何从一个基本均匀、缺乏复杂结构、仅由氢和氦组成的宇宙，发展到我们今天观察到的结构丰富的宇宙。
如果我们从今天开始，我们可以回溯时间，探究任何单个结构或该结构组成部分的起源。对于得到的每一个答案，我们都可以问：“好吧，但它从何而来，又是如何产生的？”如此反复，直到我们被迫回答：“我们不知道，至少现在还不知道。”最后，我们可以思考我们所拥有的一切，并问：“它是如何产生的？有没有可能它凭空而来？”。。

我们今天的生命源于复杂的分子，而这些分子必然起源于元素周期表中的原子：正是这些原子构成了我们今天宇宙中所有正常物质的原始成分。宇宙并非诞生于这些原子；相反，它们需要几代恒星的生生死死，而这些恒星的核反应产物又循环利用，形成后代恒星。没有这些，行星和复杂的化学反应将是不可能的。
为了形成现代恒星和星系，我们需要：引力将小型星系和星团拉向彼此，形成大型星系并引发新一波恒星形成；这需要预先存在的质量聚集，这些质量聚集是由引力增长产生的；这需要暗物质晕在早期形成，以防止恒星形成事件将这些物质抛射回星系际介质；这需要正常物质、暗物质和辐射的适当平衡，以产生宇宙微波背景辐射、热大爆炸中形成的轻元素以及我们在其中看到的丰度/模式；这需要初始种子波动——密度缺陷——在引力作用下生长成这些结构；这需要某种方式来产生这些缺陷，以及某种方式来产生暗物质和初始量的正常物质。
在热大爆炸的早期阶段，这三个关键因素是形成我们今天所观察到的宇宙所必需的。假设我们还需要物理定律和时空本身的存在——以及物质/能量本身——我们可能希望将它们作为必须以某种方式出现的必要成分。
所以，简而言之，当我们问我们是否可以从虚无中得到一个宇宙时，这些是我们需要以某种方式出现的新的、迄今为止无法解释的实体。
为了得到比反物质更多的物质，我们必须追溯到宇宙的极早期，也就是物理学尚不明晰的时期。我们所知的物理定律在某种意义上是物质和反物质对称的：我们曾经创造或观察到的每一个反应，都只能创造或毁灭等量的物质和反物质。然而，尽管我们拥有的宇宙最初处于极其炽热和致密的状态，物质和反物质都能大量地被创造出来，但它一定存在某种方式，在最初并不存在的情况下，创造出了物质/反物质的不对称性。有很多方法可以实现这一点。虽然我们尚不清楚在我们年轻的宇宙中究竟发生了哪种情景，但所有可能的情景都包含以下三个要素：
一组非平衡条件，这在膨胀冷却的宇宙中自然出现；一种产生重子数破坏相互作用的方式，标准模型通过球形子相互作用允许这种相互作用（超标准模型的情景也以其他方式允许这种相互作用）；以及一种产生足够的C和CP破坏，从而产生足够大量的物质/反物质不对称的方式。
标准模型包含所有这些要素，但步骤2或步骤3都不够。如果你将物质/反物质对称的宇宙视为“一个无所事事的宇宙”，那么几乎可以肯定宇宙会从无中生有，即使我们并不十分确定它究竟是如何发生的。




同样，也有很多可行的方法来产生暗物质。通过广泛的测试和探索，我们知道，无论暗物质是什么，它都不可能由标准模型中存在的任何粒子组成。无论它的真实本质是什么，它都需要超越目前所知的新物理学来解释。但它的产生方式有很多，包括：
在炽热的早期宇宙中以热能产生，之后未能完全湮灭，保持稳定（例如最轻的超对称粒子或卡鲁扎-克莱因粒子）；
或者在宇宙膨胀和冷却过程中自发发生的相变，将大质量粒子从量子真空中剥离出来（例如轴子）；
以中微子的新形式出现，它本身可以与已知的中微子混合（即惰性中微子）；或者以重的右旋中微子的形式存在于传统中微子之外；
或者以纯粹的引力现象产生超大质量粒子（例如弱相互作用粒子）。
为什么今天会有暗物质存在，而宇宙的其余部分在早期似乎没有暗物质的情况下也能正常运转？肯定存在某种方法，可以在之前不存在的情况下生成这种“东西”，但所有这些场景都需要能量。那么，所有这些能量从何而来？
或许，根据宇宙膨胀理论——我们关于宇宙大爆炸前起源的主要理论——宇宙确实是从虚无中诞生的。这需要一些解释，而这正是“宇宙从虚无中诞生”最常见的含义。
当你想象热大爆炸的最初阶段时，你必须想象某种极其炽热、致密、高能且几乎完美均匀的物质。当我们问“它是如何产生的”时，通常有两种选择。宇宙诞生时就具备这些属性，我们称之为初始条件，没有进一步的解释。作为一名理论物理学家，我们称这种方法为“放弃”。或者，我们可以做理论物理学家最擅长的事情：尝试构建一个能够解释初始条件的理论机制，梳理出与标准、主流理论预测不同的具体预测，然后去测量关键参数。宇宙膨胀就是第二种方法的结果，它彻底改变了我们对宇宙起源的理解。
暴胀理论并非将“炽热致密”外推至无限炽热、无限致密的奇点，而是简单地认为：“或许在热大爆炸之前，空间结构本身存在着极大的能量密度，导致宇宙以持续不断的速度膨胀。当暴胀结束时，这些能量转化为物质、反物质和辐射，形成了我们所看到的热大爆炸：暴胀的后果。”
详细而言，这不仅创造了一个处处温度相同、空间平坦、没有假设的大统一时代遗留痕迹的宇宙，还预测了一种特定类型和频谱的种子波动，我们随后便观察到了这些波动。仅仅从空旷的空间本身——尽管它是充满大量场能的空旷空间——一个自然过程就创造了我们今天所见的整个可观测宇宙，它拥有丰富的结构。这是从无到有创造宇宙的伟大思想，但将充满场能量的空旷空间说成是“虚无”并不能让所有人满意。
对大多数人来说，一个时空依然存在的宇宙，以及物理定律、基本常数以及空间结构本身固有的非零场能，与“虚无”的概念截然不同。毕竟，我们可以想象一个超越空间的位置；一个超越时间界限的时刻；一组不受物理现实约束的条件。而这些想象——如果我们将这些物理现实定义为我们需要消除才能获得真正虚无的东西——当然是合理的，至少在哲学上是如此。
但这正是哲学意义上的虚无与更物理意义上的虚无之间的区别。正如我在2022年所写，虚无有四种科学定义，它们都是有效的，取决于你使用它们的语境：你感兴趣的“事物”不存在的时期；空无的物理空间；处于最低能量状态的空无时空；以及当你去掉整个宇宙及其支配定律后剩下的一切。
如果我们使用前两个定义，我们可以肯定地说我们获得了“从虚无中诞生的宇宙”；如果我们使用第三个定义，我们就不能这么说（因为当时的膨胀状态比我们今天拥有的能量状态更高）；而且非常不幸的是，我们所知甚少，无法预测如果我们使用第四个定义会发生什么。如果没有物理理论来描述宇宙之外和物理定律之外发生的事情，那么真正的虚无的概念在物理上是定义不明确的，纯粹是一种理解“虚无”概念的哲学方法。
在物理学的语境下，绝对虚无的概念是无法理解的。超越时空意味着什么？时空如何能够合理地、可预测地从不存在的状态中诞生？如果没有时空，就没有位置或时间的定义，时空又如何能够在特定的位置或时间出现？量子的规则从何而来？这种思路甚至假设空间、时间和物理定律本身并非永恒，而事实上它们可能是永恒的。任何与之相反的定理或证明都依赖于在我们试图应用它们的条件下有效性尚未得到充分证实的假设。如果你接受“虚无”的物理定义，那么是的，我们所知道的宇宙似乎确实起源于虚无。但如果你抛开物理限制，那么关于我们宇宙终极起源的一切无疑都将消失。不幸的是，对我们所有人来说，膨胀本质上抹去了我们可观测宇宙中任何可能来自先前存在状态的信息。尽管我们的想象力无限，但我们只能对那些能够构建物理现实测试的事物得出结论。无论任何其他考虑多么合乎逻辑，包括绝对虚无的概念，都只是我们思维的构想。。

什么是虚无？宇宙中真的存在完全的无吗？黑格尔区分了两种概念：纯粹的虚无与确定的虚无。前者与纯粹的存在相对，后者则与某物相对。纯粹的虚无并非现有物质的缺失，而是思想上的不确定性。它与纯粹的存在同样模糊、不确定，但各自不同。在讨论虚无时，理解这一概念区别至关重要，否则容易混淆两者。
在所有可能的世界中，是否存在一个空的世界？这个问题在哲学上备受关注。正如某些学者指出，路易斯认为没有真正空的世界，因为世界本身是时空的总和。一旦移除所有物体与事件，也就不再构成一个世界。对他而言，世界并非容器，而是事物与其关系的总体。
想像一个极度空无的世界：开始时只有一个点，然后连那个点也被移除，剩下的是什么？什么都没有。这样的虚无，是否可能存在？
当我们说There’s nothing，我们真正指的是什么？宇宙中是否有真正什么都没有的地方？在星系之间？还是原子之间？这样的虚无有什么样的性质？尝试闭上眼睛，专注思考无，你会发现这极难想像，因为我们对虚无的概念，本身就模糊不清。
回到现实，当我们观察星系之间的区域或原子之间的空隙，这些地方从未真正空无一物。每立方公尺的空间中存在数千颗粒子。即使用高科技将这些物质移除，仍存在各种波长的电磁辐射。即便远离辐射源，这些波也仅仅是变弱，而不会消失。
哲学家与物理学家对虚无的定义各异。在物理领域中，从传统真空状态到能量势场的极小值点，虚无具有不同层次与形式。即使我们将一个空间抽至极限真空，屏蔽所有磁场与电场，那里仍然存在重力场。根据广义相对论，空间与时间本身就是重力的展现，无法被屏蔽。
假设我们能克服所有障碍，屏蔽甚至重力，是否就得到真正的虚无？事实上，即使如此，量子扰动依然存在。即使在最低能态，量子粒子仍会在真空中瞬间出现与湮灭。这意味着，即使达到理论上的绝对虚无，其中仍然存在着不可避免的量子活动。
有物理学家如 Lawrence Krauss 提出，宇宙或许就是从这样的虚无中诞生。他认为，如果将宇宙中的所有量——物质、能量、反物质，甚至重力场的曲率——统统加总，总和可能恰为零。从这个角度来看，什么都没有也许正是一切的总和，而宇宙的存在，就是虚无的另一种形式。。

如果宇宙从虚无中诞生，我们会想知道如何从虚无变成整个宇宙，以及是什么引起宇宙的诞生。根据宇宙大爆炸理论，宇宙是从虚无的奇点中诞生。从常识来看，虚无意味着零物质、零能量，宇宙中所有量子场都是绝对零值。由于没有物质和能量，空间是完全平坦的。从这方面来考虑，虚无就是非物理意义上的。
但在物理学中，虚无不代表什么都没有。如果我们想从物理意义上讨论虚无，就必须保留某些东西，例如，时空和物理定律，没有它们就没有宇宙。如果有时空和物理定律，那么，根据定义，无论哪里都会有量子场渗透到宇宙中。由于宇宙的量子性质，空间固有的能量会产生基本的“抖动”。
把这些成分放在一起——因为没有它们，就不可能有一个物理上可感知的“虚无”——就会发现，空间本身并没有固有的零能量，而是存在一个有限的、非零值的能量。就像被原子束缚的电子存在一个有限的零点能量，空间本身也是如此。因此，对于空无的空间，即使它的曲率为零，即使没有粒子和外部场，它仍然拥有有限的能量密度。
根据量子场论，这被概念化为量子真空的零点能量：真空的最低能量状态。然而，在广义相对论的框架中，它以另一种意义出现：作为宇宙常数的值，它本身是真空的能量，独立于曲率或任何其他形式的能量密度。
虽然物理学家不知道如何从基本原理计算这个能量密度的值，但目前可以计算它对膨胀宇宙的影响。当宇宙空间膨胀时，存在于其中的每一种能量形式不仅对宇宙的膨胀有贡献，而且对膨胀率随时间的变化也有贡献。根据多个独立的证据，包括宇宙的大尺度结构、宇宙微波背景辐射和遥远的超新星，物理学家已经能够确定多少能量是空间本身固有的。
这种形式的能量就是我们现在所说的暗能量，它是导致宇宙空间加速膨胀的原因。尽管暗能量的概率已经被提出20年，但物理学家并不完全理解它的真正性质。我们只能说，当我们测量宇宙的膨胀率时，我们的观测结果与暗能量作为一个具有特定大小的宇宙常数相一致，而不是随着时间的推移而显著变化的东西。
由于暗能量会使空间逐渐膨胀，从而导致空间中的星系随着时间的推移而彼此互相远离，并且退行速度变得越来越快，所以暗能量通常被称为负引力。这种说法不仅是非正式的，而且是不正确的。引力只是正的，而不是负的。但即使是正引力，也会产生类似于斥力的效应。
如果宇宙中存在更多的暗能量，膨胀率将会更大。但在一个空间平坦的宇宙中，所有形式的能量都是如此，暗能量也不例外。暗能量与更常见的能量形式（如物质和辐射）的唯一区别在于，随着宇宙的膨胀，物质和辐射的密度会降低。
但由于暗能量是空间本身的属性，当宇宙空间膨胀时，暗能量的密度必然会保持恒定。随着时间的推移，受引力束缚的星系将合并成星系群和星系团，而没有引力束缚的星系群和星系团将会加速远离彼此。如果暗能量真的存在，这就是宇宙的最终命运。那么，为什么科学家会说宇宙是从虚无中诞生的呢？
因为暗能量的值可能在遥远的过去更高，那个时间在宇宙大爆炸之前。一个含有大量暗能量的宇宙，其行为将与一个正在经历空间暴胀的宇宙相同。为了结束宇宙最初时刻的空间暴胀，这些能量必须转化为物质和辐射。多个独立证据可以有力地表明，这个过程发生在138亿年前，那就是宇宙的起源时间。那么，为什么还有少量的暗能量仍然存在于宇宙中？因为宇宙中量子场的零点能量不是零，而是一个有限且大于零的值。当我们考虑虚无和正负引力的物理概念时，我们的常识和直觉并不可靠。正由于物理学家没有依靠常识和直觉，所以才会得到正确的物理理论——它能准确地描述我们所观测到的宇宙。