宇宙真的是從一片虛無中產生的嗎?

2022年03月15日10:28
從宇宙微波背景到星系團、再到單個星系,這些觀測結果都需要由暗物質來解釋。
從宇宙微波背景到星系團、再到單個星系,這些觀測結果都需要由暗物質來解釋。

  3月15日消息,據國外媒體報導,我們對廣闊宇宙中的未知事物越是好奇,就會浮現出越多的未解之謎。對任何事物本質的探索最終都將把我們引向同一類謎團:宇宙的終極本質和起源、以及宇宙中的萬物。但無論我們往回追溯得多久,總是規避不掉同一個問題:一旦倒退回到某個時間點之前,我們的“起點”也許就不複存在了。

  這也許是最最重要的問題之一,因為它想問的不僅是萬物來自何處,還問了萬物最初是如何出現的。到目前為止,科學都沒能為我們解答這個難題。

  我們在觀察宇宙時,可觀察到的全部範圍、甚至將龐大的未知領域考慮在內,都指向一個統一的場景。宇宙由物質(而不是反物質)構成,無論何時、何處,都遵循同一套物理法則。就我們所知,宇宙開始於138億年前一次熾熱的大爆炸。宇宙由廣義相對論主宰,體積在不斷膨脹,溫度在持續下降。暗能量和暗物質佔據了宇宙的大部分,其餘則由普通物質、中微子和輻射組成。

即使在空無一物的太空中,基本相互作用場自帶的量子波動也依然存在。在宇宙初期的暴脹過程中,這些波動會在宇宙中被大幅拉伸,形成如今仍能觀測到的溫度波動。
即使在空無一物的太空中,基本相互作用場自帶的量子波動也依然存在。在宇宙初期的暴脹過程中,這些波動會在宇宙中被大幅拉伸,形成如今仍能觀測到的溫度波動。

  如今,宇宙中充滿了星系、恒星、行星和重元素,並且在至少一顆星球上存在擁有先進技術的智慧生命。但這些結構並非亙古有之,而是在宇宙演化的過程中逐漸出現的。作為一項重大的科學飛躍,20世紀的科學家倒推出了宇宙的時間線,描述了宇宙是如何從缺少複雜結構、除了氫氦之外別無一物的起初,逐漸發展到如今遍佈大型天體結構的模樣的。

  如果讓我們從今日出發、讓時光倒流,追尋每一個結構和每一個構件的起源。每次得到一個答案,我們都可以進一步追問:“可這究竟是從哪來的呢?這又是如何出現的呢?”直到最終實在答無可答:“不知道,至少目前為止還沒有頭緒。”屆時我們就可以對手頭掌握的情況進行複盤,然後追問下去:“這究竟是如何出現的?難道是從一片虛無中浮現的嗎?”

  那我們就開始吧。

圖為在宇宙膨脹過程中、宇宙結構形成過程的模擬圖像,描繪了引力在富含暗物質的宇宙中一連數十億年的增長過程。圖中的細絲和團簇主要在暗物質作用下形成,普通物質起到的作用很小。
圖為在宇宙膨脹過程中、宇宙結構形成過程的模擬圖像,描繪了引力在富含暗物質的宇宙中一連數十億年的增長過程。圖中的細絲和團簇主要在暗物質作用下形成,普通物質起到的作用很小。

  如今的生命全都由複雜分子構成,這些分子又由元素週期表中的原子構成,與宇宙中所有普通物質所用的是同一批“原材料”。但宇宙並非生來就有這麼多原子,而是在經曆了多輪恒星誕生和死亡、每一次核反應的產物不斷循環利用後,才逐漸達到今天的局面。若沒有這一過程,就不可能出現行星和複雜的化學反應。

  要想形成現代的恒星和星系,首先需要引力將較小的星系和恒星團拉攏到一起,形成更大的星系,激發新恒星的形成。這就需要該區域借引力之手收集一定的質量;這就需要暗物質提前圍攏、形成一個環,防止恒星形成過程中將這些物質反彈出去;這就需要普通物質、暗物質和輻射之間達到一定的平衡,形成宇宙微波背景,需要較輕元素在大爆炸中形成、並且已經達到所需的丰度和分佈規律;這就需要宇宙產生初始波動、或者說密度上的瑕疵;而這就需要找到這些瑕疵的形成方式、以及初始暗物質和普通物質的形成方式。

  這些都是宇宙大爆炸初期所需的“基本原料”。除此之外,我們還需要物理法則、時空、以及物質和能量,這些原料都需要以某種方式實現從無到有才行。

  所以簡而言之,要想回答宇宙能否從無到有的問題,首先要揭開以上這些未解之謎才行。

超新星爆發殘餘(左圖)和行星狀星雲(右圖)都可以將恒星中經過“焚燒”的重元素回收到星際間介質中、供下一代恒星和行星所用。重元素對生命的形成不可或缺,很難想像假如宇宙中缺少這些重元素、智慧生命要如何形成。
超新星爆發殘餘(左圖)和行星狀星雲(右圖)都可以將恒星中經過“焚燒”的重元素回收到星際間介質中、供下一代恒星和行星所用。重元素對生命的形成不可或缺,很難想像假如宇宙中缺少這些重元素、智慧生命要如何形成。

  要想弄清宇宙中物質的量為何多於反物質,我們必須回溯到宇宙的最初階段,也是物理法則充滿不確定性的一個階段。就我們所知,物理法則在物質和反物質之間存在一定意義上的對稱關係:我們創造或觀察到的每個反應,用等量的反物質也可以實現。雖然在宇宙極其熾熱和緻密的初始狀態下、物質和反物質的量可能同樣豐富,但宇宙後來一定通過某種方式、形成了如今物質/反物質不對稱的局面。

  這一結果有多種解釋,不過我們並不確定早期宇宙真正經曆的是哪一種。無論是何種情形,都離不開以下三個要素:

  1、一系列失衡條件,這在不斷膨脹和冷卻的宇宙中會自然而然地發生;

  2、與重子數量相違背的相互作用;

  3、產生足夠的C與CP破壞(C指電荷共軛,P指宇稱)、以此形成足量的物質/反物質不對稱性。

  標準模型雖具備上述全部要素,但還不夠。如果將剛開始具有物質/反物質對稱性的宇宙視為“空無一物”,那麼宇宙一定是從無到有、憑空創造出了後來的各種事物,儘管我們並不明白這究竟是如何發生的。

如果具備合適的大統一理論特性,數量相等、完全對稱的物質和反物質玻色子也可以形成在現今宇宙中觀察到的物質/反物質不對稱局面。這種解釋算不上完美,但我們也不確定真相究竟如何。
如果具備合適的大統一理論特性,數量相等、完全對稱的物質和反物質玻色子也可以形成在現今宇宙中觀察到的物質/反物質不對稱局面。這種解釋算不上完美,但我們也不確定真相究竟如何。

  產生暗物質也有許多可行的方式。我們從大量測試和搜索工作中瞭解到,無論暗物質究竟為何物,都不可能含有標準模型中的任何粒子。不管暗物質的真正本質是什麼,都涉及到我們目前尚不瞭解的物理法則。但創造暗物質的方法倒是有很多,比如在熾熱的早期宇宙中在熱作用下形成,但後來並未徹底湮滅,而是以穩定狀態一直保留了下來;或者在宇宙膨脹和冷卻的過程中通過物相變化自發形成;或者以新型中微子的形式出現;又或者是一種單純的引力現象,這種方式可以形成超大質量粒子(比如WIMPzilla,巨型弱相互作用大質量粒子)。

  但如今的宇宙就算沒有暗物質,似乎也過得挺好,那暗物質存在的意義又是什麼呢?在此前從未有過暗物質的情況下,暗物質的憑空誕生一定有其原因。無論暗物質通過上述哪種途徑產生,都需要耗費能量。這些能量又從哪裡來?根據宇宙暴脹理論(關於宇宙大爆炸起源的最流行理論),暗物質也許還真是憑空產生的。關於這一點,我們還需要多解釋幾句。

  說到宇宙大爆炸初期,你腦海中想到的一定是某種極為稠密、高能、並且極其均勻一致的狀態。如果有人問起:“這究竟是如何達成的?”我們一般有兩種對策。一種可以借用Lady Gaga的歌名來回答——《天生如此》:宇宙生來就具有這些特性,我們把它們稱作“初始條件”就好,不需要進一步解釋。但在理論物理學家看來,這種解釋無異於舉手投降。或者我們也可以採用理論物理學家最擅長的做法:嚐試建立一套能夠解釋這些初始條件的理論機制,梳理出異於標準的預測結果,再對關鍵參數進行度量。

早期宇宙中的過度緻密區域會隨著時間的流逝不斷“生長”,但該過程一方面受自身初始大小限制、另一方面也受高能輻射限制(防止天體結構生長過快)。第一批行星過了數千萬年、甚至數億年才出現,但早在此之前,宇宙中就已經存在物質團塊了。
早期宇宙中的過度緻密區域會隨著時間的流逝不斷“生長”,但該過程一方面受自身初始大小限制、另一方面也受高能輻射限制(防止天體結構生長過快)。第一批行星過了數千萬年、甚至數億年才出現,但早在此之前,宇宙中就已經存在物質團塊了。

  宇宙暴脹理論就是採用第二種方法得到的結果,極大改變了我們對宇宙形成方式的認知。該理論並未將“熾熱緻密”的前身推斷為一個無限熾熱、無限緻密的奇點,而是指出:“也許在大爆炸發生前的一段時期內,空間本身的能量密度極大,導致宇宙以極快的速度迅速暴脹。在暴脹結束後,這些能量轉化成了物質、反物質和輻射,我們所熟知的大爆炸就是這麼產生的。”

  在以這種方式形成的宇宙中,不僅溫度統一、空間均勻,還能預見到我們如今觀察到的密度波動。憑藉這一自然過程,整個可觀測宇宙都從空無一物的空間中就此產生,並逐步演化出了我們如今所見的各種天體結構。

  這應當是“宇宙如何從無到有”這個問題最好的解釋了,但並非所有人都願意接受這種說法。在許多人看來,宇宙中有時空、有物理法則、有基本常數、還有空間自帶的非零場能量,似乎與“空無一物”的概念相去甚遠。畢竟我們完全可以想像出一個在空間之外的地點、一個超越時間限制的時刻、一組不存在任何實際物理限制的條件。並且這些想像至少在哲學上是完全說得通的。

我們如今觀察到的宇宙始自一場大爆炸,即某種極其熾熱、緻密、均勻、不斷膨脹的狀態,具有一系列特定的初始條件。但要想弄清大爆炸究竟如何產生,我們千萬不能假定大爆炸就是宇宙的絕對開端,也不能預設“我們無法預測的事情必定無法解釋”。
我們如今觀察到的宇宙始自一場大爆炸,即某種極其熾熱、緻密、均勻、不斷膨脹的狀態,具有一系列特定的初始條件。但要想弄清大爆炸究竟如何產生,我們千萬不能假定大爆炸就是宇宙的絕對開端,也不能預設“我們無法預測的事情必定無法解釋”。

  但哲學層面上的“虛無”和物理定義的“虛無”之間還存在區別。2018年的一篇論文指出,目前對於“虛無”已經有了四種科學定義,並且在對應的情境下,每種都很合理:1、一段不存在任何我們所理解的“物體”的時間;2、空無一物的物理空間;3、在能達到的最低能態上空無一物的時空;4、將整個宇宙和主宰宇宙的各種法則移除後剩下的一切。

  如果我們使用前兩種定義,那麼完全可以說“宇宙是憑空產生的”,用第三種就不行。對於第四種,我們掌握的信息還不夠多、無法做出判斷。除非我們能找到一套新的物理理論、能夠描述宇宙之外和目前物理法則範圍之外的事物,從物理上就無法定義什麼叫真正的“虛無”。

量子尺度上的時空波動會在宇宙暴脹過程中被大幅拉伸、跨越整個宇宙,形成密度瑕疵和引力波。雖然暴脹過程中的太空從很多層面上都可以被視作“空無一物”,但並非人人都同意這種說法。
量子尺度上的時空波動會在宇宙暴脹過程中被大幅拉伸、跨越整個宇宙,形成密度瑕疵和引力波。雖然暴脹過程中的太空從很多層面上都可以被視作“空無一物”,但並非人人都同意這種說法。

  在物理學層面上,很難弄清什麼叫絕對的虛無。到底什麼叫“時間和空間之外”?時間和空間又怎樣才能以一種合理的、可預見的方式從無到有、憑空出現?如果沒有時空,就無法定義時間或地點,那麼時空又怎樣才能在特定的時間或地點上出現?主宰量子的法則又要從哪裡來呢?

  如果我們接受了物理學上對“虛無”的定義,那麼我們如今所知的這個宇宙在很大程度上的確可以說是憑空產生的。但如果將各種物理限制考慮在內,這個最初的宇宙起源也就無從談起了。

  然而,宇宙暴脹已經抹去了可觀測宇宙出現前可能留下的全部證據。雖然想像是無限的,但我們只能在物理現實的基礎上、以及能開展測試的前提下得出結論。無論其它想法在邏輯上是多麼可行,都只能停留在思維層面而已。(葉子)

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