加來道雄 ：“大爆炸是錯的，宇宙不可能從無到有”｜新型大爆炸理論：量子泡暴漲模型

當我們凝視行星、恆星、星系 以及整個宇宙時 一個基本的問題就會浮現出來： 爲什麼存在這一切，而不是一片虛無？ 特別是當我們意識到我們所觀察到的宇宙 似乎起源於“無”時 這個問題就顯得更加令人費解了 事物是如何從無到有的？ 在大爆炸之前，存在什麼東西呢？ 這個令人難以置信的浩瀚宇宙 又是如何形成的呢？ 弦理論說 那裏應該還有其他氣泡 在泡沫的多重宇宙中 當兩個宇宙碰撞時 它可以形成另一個宇宙 當宇宙一分爲二時 它可以創造兩個宇宙 我們認爲 是大爆炸 大爆炸 是由宇宙碰撞引起的 或者通過宇宙的裂變 讓我們來跟隨加來道雄的說法： “大爆炸是錯誤的，宇宙不可能從無到有” 探索宇宙起源的奧祕 多年來，科學家們一直認爲 宇宙是永恆不變的 遵循固定的物理定律運行 然而，在1927年，比利時的 牧師兼科學家喬治·勒梅特 提出了一個不同的觀點 他認爲宇宙最初是一個巨大的“原始原子” 最終發生了爆炸 形成了我們今天所看到的更小的原子 起初，他的理論並未受到廣泛關注 但到了1929年，天文學家埃德溫·哈勃 發現宇宙實際上是在膨脹的 這使得人們開始重新考慮勒梅特的理論 著名天體物理學家弗雷德·霍伊爾 原本用“大爆炸理論”這個詞來諷刺這個觀點 但這個名字最終被這一理論的支持者們所採用 科學家拉爾夫·阿爾弗、喬治·伽莫夫 和羅伯特·赫爾曼 並沒有受到大爆炸質疑者的影響 他們預測如果大爆炸真的發生了 宇宙中應該存在一種微弱的餘輝—— 理論上我們能檢測到這種餘輝 然而，要找到這種餘輝確實需要相當的運氣 在20世紀60年代中期 天文學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜 在調整來自銀河系的微波信號時 不斷地收到一種微弱但持續的無線電噪聲 無論他們怎樣嘗試消除這種噪聲 它始終存在 這種噪聲最終被認爲是大爆炸的回聲 即宇宙微波背景輻射 那麼，如果大爆炸理論是正確的 它又是如何造就了我們今天看到的 所有行星、恆星和星系呢？ 經過一系列複雜的計算和觀察 包括地球上的望遠鏡和太空探測器的數據 我們得到的最佳解釋是： 大約在138億年前，一個微小的“奇點” 在一次巨大的爆炸中 釋放出了宇宙中的所有物質 這個點以驚人的速度和極高的溫度開始膨脹 每經過幾分之一秒，其尺度就會翻倍， 同時創造出新的空間 在這個過程中 引力和所有其他基本力量也隨之出現 能量轉化爲物質和反物質粒子 這些粒子大多數都會相互湮滅 幸運的是，有些粒子倖存下來 在爆炸後的第一秒內 質子和中子開始形成 不久之後，它們開始通過核聚變生成氫和氦 大約在30萬年後，原子核開始捕獲電子 形成完整的原子 從而使宇宙充滿了氫和氦氣 38萬年之後，大量的光子留存下來 正是這些光子 被彭齊亞斯和威爾遜意外地捕捉到 形成了我們稱之爲“宇宙微波背景”的現象 在這一整體背景中 一些微不足道的物質波動 在膨脹過程中被拉伸到宏大的尺度 最終催生了今日我們觀察到的星系和星系羣 當我們審視宇宙 所有收集到的觀察數據 即便是包含已知的不確定因素 都一致地呈現出一個清晰的、連貫的畫面 我們的宇宙是由物質構成的 而且在任何時間、任何地點 都遵從一套統一的物理法則 宇宙的膨脹和冷卻受到廣義相對論的調控 同時還受到暗能量和暗物質的影響 餘下的部分則由普通物質 如中微子和各種輻射組成 如今，至少在某個角落裏 宇宙充滿了星系、恆星、行星， 以及由重元素構成的高度先進的智慧生命 這些結構並非始終存在 而是經過宇宙長期的演變而形成的 在二十世紀 科學家們取得了科學界的重大突破 成功繪製了一張時間表 描述了宇宙是如何從一個 主要由氫和氦組成的相對均勻狀態 演化成今日豐富多彩、結構複雜的宇宙 如果我們從現在開始逆推歷史 可以追溯每個獨立結構或組成部分的起源 我們可以不斷地提問： “這來自何處？” 以及“這是如何形成的？” 直到最終抵達一個點 那就是“我們還不清楚——至少目前還不清楚。” 正是在這個探究階段 我們開始思考所有存在的事物 以及它們是如何從無到有誕生的 首先，我們周圍可見的生命 是由微觀粒子組成的 這些粒子是構建一切的基礎 這些基礎粒子就像樂高積木一樣 組合在一起 形成了對生命至關重要的複雜分子 而這些“積木”本身由更小的單位 即原子，構成 原子好比是構成宇宙所有物質的基石 但它們並非在宇宙初創時就已存在 它們的生成是一個漫長而複雜的過程 涉及到恆星的誕生、生命週期和最終的死亡 當恆星走到生命的盡頭 它們會觸發強烈的核反應 產生全新的元素 這些新元素隨後參與新恆星的形成 構成一個連續的循環 這一循環對於行星、複雜化學反應 以及生命本身的存在具有至關重要的意義 爲了形成我們今天觀察到的恆星和星系 幾個關鍵的事件必須發生 引力要起到作用 把小型的恆星和星系聚合成更大的規模 這一過程需要一定的初始質量 這樣才能通過引力吸引更多的物質 而爲了防止這些聚集的物質 在恆星形成過程中被散失到太空 一種名爲“暗物質”的神祕物質 必須在早期就出現 早期的密度不均勻現象 加上暗物質和普通物質的存在 共同構成了我們所觀察到的宇宙的基礎 在思考宇宙是否可以從無到有時 這些是尚未完全理解的基本方面 在傳統物理學中 物質和反物質被視爲平等 這意味着反應會產生或湮滅 相同數量的物質和反物質 在宇宙的早期階段 當極端的熱量和密度盛行時 物質和反物質可能會大量產生 然而不知何故 宇宙最終物質比反物質多 儘管它們預期相等 儘管我們不確定實際發生的是哪一種機制 但可能通過多種機制發生這種差異 這些機制涉及三個主要組成部分獨特的條件 其中平衡經常由於宇宙的膨脹和冷卻 以及偏離標準規則的過程而被破壞 並允許相互作用 導致產生比反物質更多的物質 物理學的標準模型通過一種稱爲 "纈草相互作用"的方法來解釋這一點 這種方法會產生某種類型的違反 從而有助於產生比反物質更多的物質 雖然這些想法被整合到標準模型中 但它們本身不足以解釋整個情況 如果你將一個具有相同物質和反物質的宇宙 視爲一個空無一物的宇宙 那麼我們的宇宙似乎確實是從虛無中產生的 儘管我們對這是如何發生的缺乏完整的瞭解 同樣，通過廣泛的測試和研究 關於暗物質可能如何存在的許多假設已經建立 暗物質無法由現有的物理標準模型 所描述的粒子構成 不論暗物質究竟是何物 它都暗示了我們目前 理解範圍之外的新物理現象 關於其形成有多種可能性 例如，它可能在宇宙的高溫初期階段誕生 並作爲一種穩定實體一直存在至今 或者在宇宙逐漸膨脹和冷卻的過程中 通過相變而產生 進而帶來新的關鍵粒子 它也可能是一種特殊類型的中微子 能與常規中微子進行混合 或作爲更重的版本與之共存 甚至有可能是純粹受到重力影響而生成的 從而成爲一種極其龐大的粒子 但問題是，爲什麼在如今的宇宙結構中 暗物質仍然起着重要作用 而其餘部分似乎也能在沒有 暗物質的情況下正常運行？ 在宇宙的初期階段 必然存在某種特殊機制來催生其生成 然而，所有這些生成場景都需要消耗能量 這就引發了一個問題： 這些能量到底來自何處？ 或許，根據宇宙暴脹理論—— 這是目前解釋大爆炸之前 宇宙起源的主流觀點—— 暗物質有可能從“無”而來 當我們設想大爆炸高溫初期的情景 我們會想到一個極度熾熱、高密度 並且充滿能量的狀態 現在，在探討這一切如何成爲現實時 有兩種思考路徑 首先，我們可以直接認爲 宇宙就是以這種狀態開始的 這就意味着，初始條件被設定爲如此 而我們在理論物理學中尚無更深層次的解釋 這種方法通常被視爲一種放棄 然而，我們也可以選擇 走理論物理學家常走的路 也就是構建一個理論來解釋這些初始條件 我們的目標是產生一些與現有 公認理論不同的預測 然後去實驗驗證這些預測 這裏就要說到宇宙暴脹理論了 它源於上述的第二種方法 並且從根本上改變了我們對宇宙起源的認識 暴脹理論並不是將宇宙起源 想象爲一個無限小、無限熱的點 而是提出在熾熱的大爆炸之前 有一個階段 空間本身具有極高的能量密度 這一階段觸發了宇宙在暴脹期間的快速擴張 當暴脹結束時 這些高能量轉化爲物質、反物質和輻射 形成了我們現在認識到的大爆炸後的宇宙 更具體地說，暴脹不僅使得 宇宙的溫度均勻和外形平坦 還產生了特定類型的密度波動 這些波動已經被觀測到 並且與暴脹理論的預測相符 雖然這個空間一開始幾乎是空的 但因爲它充滿了能量 所以自然過程最終塑造出了 我們今天看到的、充滿各種結構的宇宙 這就是從“幾乎無”到有一個宇宙的核心理念 不過，這個觀點並不是每個人 都能完全接受的 對許多人來說 想象一個沒有時空和物理規則的宇宙 是相當具有挑戰性的 我們當然可以探討超越時空 或者不受物理限制的現實 這些觀念與從哲學角度出發 到達“真正的虛無”狀態的思考是一致的 然而，哲學上的“虛無” 和科學上的“虛無”是有區別的 科學上有多種定義“無”的方式 每種都在其特定的背景下是合理的： 例如，某物尚未存在的時期、 空無一物的空間、 具有最低可能能量的時空 或者當整個宇宙及其自然規律 都被剝離後所剩下的東西 這其中的前兩種定義使我們可以說 宇宙是從“無”中誕生的 但是，當考慮到第三和第四種定義時 事情就變得模糊了 遺憾的是，沒有現成的科學理論 可以描述宇宙之外到底有什麼 以及那裏適用哪些規則 超越這一切，真正的“虛無” 在物理學中還沒有明確的解釋 我們面臨的挑戰是 如何理解絕對“虛無”的概念 以及時空是如何從這樣一個狀態中出現的 這還涉及到量子場和粒子的規律從何而來 甚至質疑了時空和物理規則 是否本就是永恆存在的 總之，儘管我們可以基於物理規則 推測宇宙可能是從“無”中生成的 但一旦我們試圖超越這些物理限制 所有關於宇宙起源的確定性 都將變得模糊不清 還有一些科學家基於量子理論 提出宇宙可能是從“無”中自發產生的 這一觀點在數學上 長期沒有得到強有力的證據 直到武漢物理與數學研究所的何東山團隊 他們提供了第一個數學證明 證實大爆炸可能確實是由量子波動觸發的 這一重大發現的核心包括兩個重要方程： 惠勒-德威特方程和海森堡不確定性原理 這兩個方程都是理論物理 追求一個全面的“萬物理論”的關鍵步驟 在20世紀60年代 科學家約翰·惠勒和布萊斯·德威特 創立了一個劃時代的數學模型 成功地將量子力學與廣義相對論結合在一起 這一方程爲我們解決量子引力問題 即如何把引力與量子現象統一起來 提供了重要的認識 然而，這個方程並不完美 因爲它並沒有包含時間因素 這讓它在統一物理現象方面仍然有所不足 儘管有這個缺陷 它依然是迄今爲止最出色的理論框架 與此同時，海森堡的不確定性原理 得到了更爲普遍的接受 簡單來說，這個原理告訴我們 我們不能同時 精確測量一個微觀粒子的位置和動量 否則就會違反基礎物理法則 這個原理進一步揭示了一個令人驚奇的事實： 所謂的“真空”其實並不是完全空無一物的 在這個“空”裏 由於量子效應 粒子會不時地瞬間出現和消失 那麼，這些複雜的概念又是如何交織在一起 給我們帶來全新的認識呢？ 根據何東山的解釋 一旦一個小型的真空氣泡形成 它就具有快速膨脹的能力 何東山團隊詳細地描述了這些氣泡 稱其爲完美的球形結構 並據此計算了這個氣泡半徑擴大的速度 該團隊進一步研究了這些氣泡在不同 時空幾何（開放、封閉或平坦）中的行爲 令人興奮的是，他們的研究顯示 這種氣泡的膨脹可能最終 會導致一次“大”爆炸 這一新方程不僅爲我們理解宇宙 提供了新的視角 還暗示了暗能量—— 推動宇宙膨脹的神祕力量—— 可能與量子勢密切相關 量子勢是導波理論的核心組成部分 雖然這一理論並沒有得到廣泛的認可 但它爲量子力學提供了一個全新的解釋框架 導波理論不僅與已知的量子預測相吻合 還成功解決了一些長期困擾科學家的悖論 如薛定諤的貓問題 然而，導波理論也有其侷限性 即它無法提供與主流量子理論 不同的預測結果 這正是何東山團隊的新方程發揮作用的地方 因爲量子勢在這個新方程中佔據了中心地位 這爲科學家重新審視導波理論 甚至可能超越傳統量子理論的侷限 提供了全新的機會 總而言之 這些研究爲我們理解宇宙的起源、 結構以至命運提供了寶貴的見解 也許，就如浴火重生的鳳凰涅槃 宇宙也在經歷一個永無止境的生死輪迴 也許時間本身就是一個無限的循環 一個宇宙接一個宇宙地不斷出現 或者，這個宇宙就是唯一的一個 它始於一次微小但激烈的爆炸 最終會走向一個寒冷、黑暗的結局 在我們能夠更深入地瞭解宇宙之前 我們只能接受我們對它瞭解 還非常有限這一事實 大爆炸確實存在 但它並不是一切的開始 如果我們能倒回時間 回到太陽系剛剛形成的那一刻 即使將它重播數十億次 人類的出現幾乎是不可能的 然而，回到大爆炸的初期 一個充滿恆星、行星和生命可能性的宇宙 幾乎是確定會出現的 這是因爲宇宙的基本法則是不變的 這些法則決定了宇宙的演化路徑 從而也決定了生命存在的可能性 所以，現在，我們能做的 就是盡最大努力去理解和利用這一切