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天问:为何有一个宇宙?

2012-12-29阿曼达格夫特

飞碟探索 2012年1期
关键词:夸克物理学家维尔

■ 阿曼达·格夫特

□ 严小平

正如道格拉斯·亚当斯曾写过的那样:“宇宙很大,的确很大。”然而,如果我们的宇宙大爆炸理论是正确的,那么宇宙曾一度非常的小,甚至并不存在。大约137亿年前,时间和空间从虚无中跳出。这些是怎样发生的?

或者,换一个角度问:这一切究竟为什么存在?这是一个大问题,也许是最大的问题。认为宇宙只是凭空出现的想法真是不容易,尝试虚无的构想也许更难。

这也是从科学的观点提出的一个非常合理的问题。毕竟,某些基础物理学认为,我们和整个宇宙是完全不可能存在的。热力学第二定律,大多数物理学定律中的共振,比方说无序,或者熵,总是趋于增加。熵测量你能够重新安排一个系统的部件,而不改变事物总体外观的方法的数量。例如,热气体中的分子可用不同的方式安排,创造总体上相同的温度和压力,使这种气体成为一种高熵系统。与此相反,你根本无法重新排列一个生物体的分子,而不将其变为一个非生物体。

按照同样的逻辑,虚无是周围最高的熵状态,你可以将你周围的一切搅乱,但它看上去仍是什么也没有。

根据这个定律,很难明白“虚无”中怎样生出“有”来,更不要说像宇宙这么大的事物了。另一种考虑是对称——一种似乎对这个有形宇宙有着深远影响的特性。虚无确实是非常对称的。“很难从一件事物预料另一件事物,所以,宇宙是全对称的。”麻省理工学院的物理学家弗兰克·维尔泽克说。

而正如物理学家过去几十年来所认识到的那样,对称性就是用来被打破的。量子色动力学告诉我们,虚无是一种不稳定状态。“你可以在原子里面形成一种没有夸克和反夸克的状态,而这是完全不稳定的。”维尔泽克说,“它自发地开始产生夸克和反夸克对。”虚无的完美对称被打破。科罗拉多大学的物理学家维克托·斯滕格说,这导致一种意想不到的结论:尽管熵如此,但“某些东西是比虚无更自然的状态。”

“按照量子论,没有‘虚空’的状态。”牛津大学的弗兰克·克洛斯赞同说。虚空会有精确的初始能量,对于不确定的量子论领域来说,这是一个太精确的需求。相反,一个真空确实充满了在现实中突然出现又突然消失的粒子激流。从这个角度讲,这本杂志、你、我、月亮,以及我们宇宙中一切别的事物,都只是这个量子真空的激发。

某些类似的事物能够解释宇宙本身的起源吗?还真有可能。维尔泽克说:“虚无与充满物质的丰富宇宙之间并没有阻碍。”也许,宇宙大爆炸只是虚无自然而然发生的事情。

当然,这提出了宇宙大爆炸之前是什么情况以及大爆炸持续了多久的问题。不幸的是,在这一点上,基本的概念开始难为我们,“之前”的概念变得毫无意义。用史蒂芬·霍金的话说,就好像问什么在北极的北面。

虽然如此,仍有一个甚至更让人兴奋的推论:某件事物可能来自虚无——也许虚无本身不可能出现。

理由是,量子论的不确定性允许时间与能量之间的交换,这样,某些延长了很长时间的事物就一定很少有能量。我们的宇宙持续了数十亿年,其间经历了银河系的形成、太阳系的合并以及生命进化成两足动物,还有生物能发出“某事怎样来自虚无”的天问,它的总能量一定是出奇的低。

这符合一般公认的宇宙早期时间的观点。这种观点认为,宇宙大爆炸之后,时空瞬间经历了一个短暂的扩张爆发。这个剧烈的时间段被称为膨胀,能量淹没了宇宙。但根据爱因斯坦的广义相对论,时空越多,也就意味着引力越大。引力的拉力代表了负能量,它可以抵消膨胀的正能量——本质上免费构造了一个宇宙。“我喜欢说,宇宙就是终极免费午餐。”艾伦·古斯说。艾伦是麻省理工学院的天文学家,30年前提出了膨胀理论。

物理学家总是担心,从虚无中创造某物会违背各种各样的物理学定律,比如能量守恒定律。但如果总体上存在的是零能量,这个问题就不是问题了——一个凭空出现的宇宙,不仅貌似有理,而且很有可能。“也许一种更好的表述方式是:某物便是虚无。”古斯说。

然而,所有这些理论,都不能使我们真正摆脱困境。我们对宇宙诞生的理解是建立在物理学定律,尤其是量子不确定性原理的正确性基础上的。但这就意味着,在宇宙存在之前,物理学定律就被莫名其妙地编入了我们宇宙的构造之中。物理学定律怎能存在于时空之外,而没有自己的起因?或者,为何存在某种事物而不是虚无?

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