对于宇宙诞生之谜,我们始终在探寻,或许永远也不能得知真相的全貌,但这一过程本身也是一种进步。传统科学界普遍接受的是宇宙大爆炸理论,该理论认为,138亿年前,一个体积极小、密度和温度极高的奇点发生了剧烈的膨胀,从而开启了宇宙的历史。
大爆炸理论一开始被认为是假说,且带有戏谑的意味,出人意料的是,这一理论最终成为主流。尽管这个理论不完美,却能解释很多宇宙现象。例如,哈勃在20世纪20年代观察到的星系红移现象,揭示了宇宙正在膨胀;而宇宙元素丰度、宇宙微波背景辐射等发现都为大爆炸理论提供了支持。
但这个理论也有其软肋。其中最为致命的问题是:那个奇点究竟是何方神圣?它的来源又是什么?
相对论和量子力学是现代物理学的两大基石,它们各自统治着宏观世界和微观世界,然而,当面对奇点时,两者都束手无策。奇点被定义为一个体积无限小的点,其温度和密度无限高。在量子力学的世界里,存在着最微小的单位,即普朗克长度和时间,这两个概念被认为是具有意义的最小单位。
然而,普朗克长度虽小,也大于零。而在量子力学的框架下,任何小于普朗克长度的量都没有实际意义。因此,奇点体积为零的假设在量子力学中是没有意义的。同时,奇点没有时间和空间概念,而我们的世界无论宏观还是微观都存在这两个概念。
此外,奇点的体积被描述为无限小,而密度和温度则是无限高。“无限”这一概念难以用具体事物来描述,而科学探索的对象往往是具体、可描述的事物。因此,一旦涉及“无限”,物理学家们就会陷入困惑。严格来说,“无限”只存在于数学领域,而非科学。
日常生活中,我们接触到的一切都有限度,我们无法真正理解无限的概念。在这种情况下,如何想象一个无限小的奇点突然膨胀形成我们所见的浩瀚宇宙呢?
退一步讲,即便我们忽略奇点的存在方式,更大的问题是:奇点是如何产生的?它能无中生有吗?你可能会觉得这不合常理。然而,宇宙大爆炸理论恰恰认为奇点是“无中生有”的。
可能你会觉得难以置信:凭空出现?这似乎不合逻辑。但即使奇点是凭空出现的,我们还会问:为什么凭空出现?
实际上,“宇宙大爆炸是无中生有”这一观点并不准确。大爆炸之前的宇宙更像是一种“混沌状态”,即“量子混沌状态”。换句话说,在大爆炸之前,就已经存在某种状态或某种事物。
正如一句名言所说:“科学没有终点。”当我们不断追问时,我们将无法找到最终答案,仿佛陷入了自己设置的迷宫。
实际上,这一问题已经超出了科学的范畴,进入了哲学的领域。如果我们不断追问任何问题,最终都会无解,甚至可能陷入矛盾的境地。
借助“哥德尔不完全性定理”,我们可以理解这一点:任何理论都有其局限性,不能自圆其说。换句话说,任何理论最终都会遇到无法解释的问题。
似乎偏离了主题。回到正题:大爆炸之前宇宙的“混沌状态”是什么样的?
我们需要借助量子力学,更准确地说是“量子场论”来回答这一问题。
我们都知道,世间万物都是由最基本的粒子构成,如电子、光子和夸克等。但根据量子场论,这些基本粒子并非世界的最终形态,真正的基础是量子场,而基本粒子不过是量子场量子化的结果。
可以这样理解:在宇宙诞生之初,就充满了各种场,这就是我们前面提到的“混沌状态”。这些场相互交织,并产生相应的基本粒子。例如,光子与电磁场对应,中微子与中微子场对应,电子与电子场对应。按照标准粒子模型,我们知道的62种基本粒子,都与特定的场相对应。所有这些场可以归为三类:费米子场、媒介子场和希格斯场。
费米子场产生基本粒子,如电子和夸克;媒介子场产生传递相互作用力的媒介子,如光子和胶子;而希格斯场产生希格斯粒子,即“上帝粒子”,是质量的来源。
也就是说,场是比基本粒子更基本的存在。那么,场是如何产生基本粒子的?
根据量子场论,所有场最初都处于基态,这是最稳定的状态,通常所说的真空状态,此时场中没有基本粒子。基态的场虽有能量,但能量是最低的。
然而,宇宙总是会有能量波动发生,因为不确定性总是存在的。当处于基态的场发生能量波动时,就会转变为激发态,进而产生对应的基本粒子。不同的场会产生不同的粒子。
也就是说,场的激发与退激对应着粒子的产生与湮灭。同时,不同的场之间也能进行能量交换,从而表现出特定的物理现象。
例如,用量子场论可以很好地解释中子的衰变。中子通过β衰变可以变成质子、电荷和反中微子。用量子场论的解释是,中子场从激发态退回到基态,过程中释放的能量激发了电子场、质子场和中微子场,从而产生了电子、质子和反中微子。
场的基态如同平静的海面,而受到能量波动的场会转变为激发态,仿佛汹涌的海浪,而基本粒子就像是海中的浪花。
量子场论的这种解释,可以看作是“无中生有”的一种形式,这里的“无”并不是指“空无一物”。更重要的是,量子场论使科学家们避免了“奇点”问题,不再需要探讨无穷小的奇点。从量子力学角度来看,这种解释是合乎逻辑的。
量子场论中提到的场的基态与激发态的转变,就是我们常说的“量子涨落”。涨落是随机发生的,就像平静的海面变成波涛汹涌的状态,基本粒子就是在这个过程中产生的。
虽然量子涨落随机产生虚粒子对,这些虚粒子对衍生出来后会迅速消失,把能量归还给真空。但根据量子力学的不确定性诠释,只要时间足够长,任何事情都有可能发生,且一定会发生。因此,经过足够长的时间,虚粒子对没有发生湮灭,反而成功保留下来,变成了基本粒子。
这个过程看似违背了自然法则,实际上并非如此。量子力学的颠覆性使我们不能再用传统思维来理解量子世界。此外,在量子世界里,时间概念是不存在的,因此“足够长的时间”可能只是“一瞬间”!
20世纪80年代,霍金等著名物理学家利用量子引力场论探索了宇宙起源问题,通过“波函数”描述宇宙诞生瞬间的量子状态,并运用费曼的路径积分方法计算出宇宙诞生的概率。
理论上,这种概率很低,但无论如何,事件总会发生。按照这种观点,包括我们自己在内的整个宇宙,不过是一次偶然的“量子涨落”,并且是一次巨大的涨落!
中国古代哲学家老子早在两千多年前就提出了“无中生有”的思想,认为这是宇宙的真相。他在《道德经》中说:“天下万物生于有,有生于无。”这里的“有”像是受到激发的场,而“无”就像是宇宙诞生前的“混沌状态”,充满了处于基态的场。
至此,宇宙诞生的故事就讲完了。
我们不应再纠结于宇宙诞生前的“混沌状态”,也就是“基态的场”是如何来的,因为这个问题无人能答。正如我之前所说,任何问题一旦穷追不舍,最终都会陷入死胡同。
这也是一个矛盾,我们明明知道没有最终的答案,却还是会不断寻找世界的真相。这样的矛盾可能无处不在,也许世界的真相就是一个“矛盾体”!
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