利維坦按：
自古希臘以來，哲學(xué)家們就虛無/虛空的討論便由來已久。亞里士多德很樸素地認(rèn)為，自然厭惡真空，“沒有物體里的虛空”，“沒有和物質(zhì)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(tài)，但真空中仍舊有場的存在，也就是說，從物質(zhì)層面來說，絕對意義上的真空并不存在。
當(dāng)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(xué)意義上的感喟。佛家的“空無”似乎也對應(yīng)了如今學(xué)界的某些觀點：世間萬物只是我們思維/觀念構(gòu)建的產(chǎn)物，而離開思維，這一切終歸是沒有固定價值的。
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一個真空的宇宙空間區(qū)域意味著廣袤宇宙，那里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(jié)構(gòu)，這說明宇宙并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(fā)現(xiàn)“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(zhì)”。我們所看到的、感覺到的和與之相互作用的一切，在最本質(zhì)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(jīng)形成了各種大型結(jié)構(gòu)，包括人類、行星、恒星、星系和星系團。它們都遵循相同的物理定律，并存在于萬物所處的相同時空中。
我們今天在宇宙中看到和經(jīng)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、恒星或原子的，所以它們一定是在某個時刻出現(xiàn)的。但是它們是從哪里來的呢？
盡管源于“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(xué)家來說意味著什么？根據(jù)不同的詢問對象，你可能會得到四個不同的答案。
1.）在這種情況下，創(chuàng)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、恒星、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(zhì)粒子構(gòu)成的；這些粒子正是我們所知的宇宙的形成基礎(chǔ)。
就一個充滿物質(zhì)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。我們知道恒星是如何生長和消亡的，這個過程會產(chǎn)生重元素，進而形成低質(zhì)量的恒星、巖質(zhì)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(zhì)的宇宙，而不是一個物質(zhì)和反物質(zhì)數(shù)量相等的宇宙呢？這是從無到有的第一個科學(xué)意義。
在夸克/反夸克對消失之后，剩余的物質(zhì)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(jié)合成質(zhì)子和中子。在宇宙中，電子的數(shù)量會超過正電子的數(shù)量，以精確匹配質(zhì)子的數(shù)量，從而保持其電中性。這種物質(zhì)-反物質(zhì)的不對稱性是如何產(chǎn)生的，是當(dāng)代物理學(xué)中一個懸而未決的重大問題。 E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY
這也是物理學(xué)最大的謎題之一：如果物理學(xué)定律證實我們只能創(chuàng)造出等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，那么在這個宇宙中，我們看到的所有結(jié)構(gòu)為何都是由物質(zhì)而非反物質(zhì)組成的呢？我們所知曉的每一顆行星、恒星和星系都由物質(zhì)組成，而非反物質(zhì)。那么，如果宇宙不是一直存在的，又是如何創(chuàng)造出這些必需的原始成分的呢？
這就是“宇宙中的物質(zhì)是從無到有”這一說法的含義。物質(zhì)-反物質(zhì)非對稱性的起源被物理學(xué)界稱為重子生成謎題，是當(dāng)今物理界尚未解決的最大問題之一?？茖W(xué)家已經(jīng)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么是“有”（物質(zhì)比反物質(zhì)多）而不是“無”（物質(zhì)和反物質(zhì)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里是完全沒有物質(zhì)、星系和光的。我們只能設(shè)想一個接近于無物的宇宙。 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，那么第一個定義是不充分的：它顯然包含“某些東西”。為了實現(xiàn)“空無一物”，你必須除去物質(zhì)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(zhì)量非常輕，像幽靈一樣的存在，科學(xué)家們就以 “幽靈中微子”來描述它，譯者注）到任何暗物質(zhì)，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?nèi)恳瞥蔷湍艽_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(zhì)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(xué)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（特別是對于強相互作用）。即使在真空區(qū)，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(qū)域的“基態(tài)”看起來也不同。只要量子場存在，該真空能量（或宇宙常數(shù)）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(fā)生作用，這意味著量子場仍遍布于宇宙中。其中包括電磁場、引力場、希格斯場（以物理學(xué)家彼得·希格斯姓氏為名，是一種假定遍布于全宇宙的量子場。按照標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量。譯者注）以及核力場。廣義相對論下的時空仍然存在?；境?shù)也都存在，并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，并且仍處于其當(dāng)前的正非零值。今天，這種能量表現(xiàn)為暗能量（驅(qū)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(xiàn)有的技術(shù)進行觀測，譯者注）；在大爆炸之前，這種能量表現(xiàn)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(zhì)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(zhì)、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(tài)?，F(xiàn)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(tài)”（即可能的最低能量狀態(tài)），抑或是可以走得更低。我們?nèi)匀挥锌赡芴幱诩僬婵諣顟B(tài)，而真正的真空狀態(tài)，或者說真正的最低能量狀態(tài)，可能會更接近于零，也可能實際上完全歸零（或更低）。
若從我們現(xiàn)在的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟欠N狀態(tài)，就可能導(dǎo)致一場永遠改變宇宙的災(zāi)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范圍內(nèi)傳播，我們的恒星發(fā)出的所有光線都無法到達地球。
假真空中的標(biāo)量場φ。請注意，能量E高于真正真空或基態(tài)的能量值，但是有一道屏障阻止了標(biāo)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(tài)如何具有有限的正非零值。我們已知許多量子系統(tǒng)的零點能量都大于零。 WIKIMEDIA COMMONS USER STANNERED
但如果把它想象成一種真正“無”的狀態(tài)，也許這是保持物理定律完整不變的理想場景。（盡管某些規(guī)則會有所不同。）如果能夠達到宇宙的真正基態(tài)——無論它看起來是什么樣子——并將所有的物質(zhì)、能量、輻射、時空曲率和波紋等從宇宙中驅(qū)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(fā)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。宇宙真空將處于絕對最小值，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(guī)則仍然存在。
今天宇宙中存在的一切都起源于熱大爆炸。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(chǎn)生。沒有它們，我們將無法以任何形式存在。 NASA / GSFC
4.）只有當(dāng)你移除整個宇宙和支配它的法則時，無才會出現(xiàn)。這是最極端的情況：一個脫離現(xiàn)實的情況——脫離空間、時間和物理規(guī)則本身——想象一個柏拉圖式的理想狀態(tài)下的無。我們可以設(shè)想移除一切可以想象的事物：空間、時間和現(xiàn)實的支配規(guī)則。物理學(xué)家對這里的任何東西都沒有定義，這是純粹的哲學(xué)意義上的無。
在物理學(xué)的語境下，這就產(chǎn)生了一個問題：這種“無”沒有任何意義。我們不得不假設(shè)存在著一種處于時空之外的狀態(tài)，而時空本身以及支配我們所知的所有物理實體的規(guī)則都可以從這種假設(shè)的、理想化的狀態(tài)中產(chǎn)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(dǎo)致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(xiàn)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(lián)系。當(dāng)我們這樣思考時，就會立即產(chǎn)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(xiàn)的？
·如果沒有空間，我們真的能想象宇宙“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(guī)則從何而來？
這個對“無”的最終定義，雖然在哲學(xué)上確實是最令人滿意的，但可能根本沒有意義。它可能只是由于人類直覺不充分所產(chǎn)生的一種邏輯結(jié)構(gòu)。
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(shè)，或者承認(rèn)我們不知道如何計算。
NASA/CXC/M.WEISS
當(dāng)科學(xué)家們談?wù)摗盁o”時，往往會互相交流，認(rèn)為他們對“無”的定義是唯一有效的。但這里并沒有達成共識：語言是模棱兩可的，“無”的概念在不同的語境中對人們的意義是不同的?！皬臒o到有”可能代表從根本上產(chǎn)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?wù)撎囟ㄐ问降摹盁o”時的意思。每個定義都有自己的適用和有效范圍，涉及物質(zhì)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?nèi)际俏覀冏约旱臉?gòu)想。我們所知道的一切當(dāng)然都源自于“無”。關(guān)鍵是要了解如何源自于“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/
本文基于創(chuàng)作共同協(xié)議（BY-NC），由Amanda在利維坦發(fā)布
文章僅為作者觀點，未必代表利維坦立場
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