宇宙起源_从虚无到有

伤我心太深

　　怎么从“无” 中生“有”?当威廉·詹姆斯(译者注：威廉·詹姆斯，1842—1910，美国心理学之父。美国本土第一位哲学家和心理学家、教育学家，实用主义的倡导者，美国机能主义心理学派创始人之一，也是美国最早的实验心理学家之一。1904年当选为美国心理学会主席，1906年当选为美国国家科学院院士)思考这个所有谜题中最基本的谜题时，他得出如下结论：“存在”问题在所有哲学中都是最黑暗的问题。这个问题真是令人恼火，因为它在否定所有可能解释的同时，又要求必须给它一个解释。于是他写道：“从无到有之间，没有任何逻辑的桥梁。”


　　在科学中，所有的解释都建立在因果关系之上，如果“无”真的是什么也没有，它就缺乏成为“因”的动力。这并不仅仅是我们无法找到正确解释的问题，而是解释本身在面对“无”时都无能为力。


　　这一失败，可以说正好打在了我们的痛点上。我们人类是一个会讲故事的物种。我们对这个世界的那些最基本的理解都是从故事得来的，而最终极的故事是“世界是如何从无到有的”，它要远比英雄之旅、男孩遇见女孩之类的故事更为根本，它是最原始的叙事诗。然而，这是一个会破坏掉故事构思基础的故事。这是一首自我毁灭和自相矛盾相互交织的叙事诗。






　　怎么可能不是如此呢?这个故事的闪光点就在于“无”。“无”这个字，能够作为一个词存在本身就是一个悖论。它是一个名词，代表某种事物，但它又表示没有任何事物。当我们想到这个词，或者说出它的时候，它就有了含义，而有了含义，就玷污了这个词，从而破坏了它的“无”。此时，人们肯定会感到大惑不解，这究竟是“无”出了问题，还是我们出了问题?它到底是一个宇宙学问题，还是一个语言问题?它到底是一个有关存在的问题，还是一个有关精神的问题?它到底是一个物理悖论，还是一个思想悖论?


　　无论它是哪一种，我们都必须记住一件事情：一个悖论的解决方法存在于问题中，而不会存在于答案中。在问题中的某个地方，一定会有一个疏忽，一个有瑕疵的假设，或者张冠李戴。在“怎么才能从‘无’中生‘有’?”这样一个简洁的问题中，可以隐藏错误的地方并不多。也许这就是我们一而再，再而三地披着更新、改进后的伪装，回到同一个老的思路上来，将本该沿着科学的轨迹进行的事情，搞得如同夜游症，或者说是同一主题的各种变奏曲似的原因吧。每走过一次，我们都试图在詹姆斯所说的那难以捉摸的桥梁上铺下又一块垫脚石。


　　虚无缥缈的“以太”


　　最古老的一块垫脚石是这样的：如果你不能从“无” 中得到些什么的话，那就试着让“无”变得不再那么“无”吧。古希腊人认为，“空白”空间充满了一种被称为“以太”的物质，所以“空白”空间是一个充满了物质的空间。亚里士多德认为，“以太”是世界上第五种永恒的元素，它的不变性比泥土、空气、火和水更加完美神圣。但真正的虚无与亚里士多德物理学不相符合，根据亚里士多德的理论，事物的本体是根据其在自然秩序中确定的恰当的位置上升或者下降的。虚无是完美对称的——从任何角度观察它都是一样的，它使得诸如“上”、“下”这样的绝对空间方位完全失去了意义。亚里士多德指出，“以太”可以作为宇宙中的指南针，在这个终极的参考坐标系中，所有的运动都是可测量的。对那些痛恨真空的人来说，以太正好将真空驱除得干干净净。





　　古老的以太概念在人们的思想中逗留了上千年，直到19世纪末被詹姆斯·克拉克·麦克斯韦等物理学家重新描述。麦克斯韦发现光的行为表现好像一种波，以一个特定的速度传播。是什么在波动呢?光速的参照物又是什么呢?“以太”似乎是一个放在手边的答案，它不仅为光的波动传播提供了介质，还像亚里士多德最初设想的那样，提供了一个参考坐标系，宇宙中的所有变化都可以以其为参照展开。但是，当阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷在1887年着手通过“以太风”来测量地球运动时，却怎么也找不到“以太”。在此之后不久，爱因斯坦以其狭义相对论将“以太”这一概念彻底送进了坟墓。


　　希格斯场是一种什么样的存在?


　　近几十年来我们都将“以太”视为历史上的奇谈怪论和倒退。但是，它的生命力超出了我们的设想。今天，我们可以在一种全新的环境——希格斯场——中，瞥见“以太” 的身影。希格斯场遍布整个真空的空白空间，它的场量子化激发就是现在著名的希格斯玻色子。希格斯场是一种被称为标量场的场，而且是其同类场中唯一被实验验证的场。这就意味着，它在空间中的每一点上都只有一个量(这一点不同于描述光的场，描述光的场在每一点上都存在大小和方向两个量)。这一点十分重要，因为它意味着对所有观察者来说都是一样的。


　　此外，它的量子自旋为零，这保证了从任何角度看它都是一样的。自旋是在使一个粒子看起来和其起始状态一样之前你需要将该粒子旋转的角度。传递力的粒子(光子、胶子)均为整数自旋——旋转360°后，它们会和没有发生变化一样。物质粒子(电子、夸克)，均为半整数自旋，这意味着你需要将其旋转两圈，即720°，它们才能回到它们的起始状态。但是，希格斯玻色子的自旋为零。无论你怎样转动它，它看上去总是一模一样的，就像真空一样，对称即是隐形。


　　追随着亚里士多德的直觉，“无”，在今天的物理学家的构思中，是对称的终极状态，是一种冷酷无情的千篇一律，它将我们定义任何“事物”所需要的差异都提前排除在外了。的确，当物理学家将宇宙的电影胶片进行倒放，使时光倒流，追溯到历史深处时，他们看到现实的不同碎片重新聚集并再次结合在一起，形成一个无限增长的对称体，这个对称体代表着宇宙的源头——也就是“无”。





　　希格斯场之所以举世闻名，是因为它赋予了基本粒子质量，但是这一点掩盖了它真正的意义。毕竟，赋予粒子质量很容易，只要将它们的速度降至光速以下，好了，瞧，质量就有了。其难点就在于，在赋予粒子质量的过程中，不能破坏其原始的对称性。希格斯场通过使其在最低能量态时能量也不为零圆满完成了这一壮举。蜷缩于“真空”中每一个角落里的希格斯玻色子，其能量值均为246GeV(千兆电子伏)——只是我们将永远也无法察觉到，因为其在每一点上都是完全一样的。因为只有一个标量场，所以它能够在众目睽睽之下藏得无影无踪，并且全身而退，但是基本粒子引起了我们的注意。每当一个粒子的质量打破宇宙的对称性时，希格斯玻色子就会出现，扮成真空来修复这种破坏。希格斯玻色子总是在暗处默默地操劳，以保持宇宙的原始对称性能够圆满无缺。现在可以理解为什么记者一心要给它冠以“上帝粒子”这种带有宗教色彩的称号了吧?尽管利昂·莱德曼最初曾诅咒它，将它称为“该死的粒子”，但是他的出版商怎么也不肯答应。(译者注：利昂·莱德曼，美国著名粒子物理学家，1988年诺贝尔物理学奖获得者，与迪克·泰雷西合著有《上帝粒子》一书。因为这种粒子是如此难以找到，人们为此花费了巨额研究经费，所以，莱德曼原来为该书取名“该死的粒子”。他这样解释：“考虑到它那‘恶毒’的本性，再加上花在它身上的巨额资金，我认为这个名字可能更加合适。”但出版商不干，于是变通一下就成了“上帝粒子”。)


　　所有这些都表明，希格斯场的理念比其他理念更加接近“虚无”的本质，比如麦克斯韦关于“以太”的理念。在给“虚无”涂上颜色这方面，希格斯场是我们最新的画笔。希格斯玻色子以其非同寻常的对称性，成了“虚无”的隐蔽伪装，但就其本身而言不是空无一物。它具有一定的结构，它能与其他粒子发生相互作用。对于其246GeV(千兆电子伏) 的物理来源，目前仍然未知。借助希格斯玻色子，我们能够向“虚无”与我们之间的边界迈近，但是我们无法跨越它。


　　量子涨落的源头在哪里?


　　如果让“虚无”变得不再那么像“虚无”也无法回答“怎么才能从‘无’中生‘有’”这个问题，也许我们应该让“因”变得不那么像“因”。





　　这一思路同样也有一段历史了。在亚里士多德时代，腐肉中突然出现的蛆虫使得自然发生论广为流传，人们相信，空气中就可以凝聚出生命的气息。“虚无” 与“存在” 之间的界线，和生与死、精神与物质、仙界与凡界之间的界线，被人们视同一类。这又反过来承载起了宗教和信仰那错综复杂的统一体，并为我们的那个自相矛盾的问题提供了一个全面的回答。在近2000年的时间里，我们一直都接受这一理论，直到1864年微生物学家路易斯·巴斯德将这一理论“清除”。巴斯德说：“Omne vivum ex vivo!(拉丁文)” ——生命源于生命。在随后的几十年里，自然发生论也被我们视为历史上曾经出现过的又一种奇谈怪论而已。但是，就像“以太”一样，如今，它又披着量子涨落的羊皮回来了。


　　不确定性使量子涨落成了无“因”之“果”，它是信号下面的噪声，它是一种原始的静态，它有着与生俱来随机性。量子力学规则允许——事实上是要求——能量(根据公式E=mc2，还有质量)“莫名其妙”地出现，从“无”中来。对，就是无中生有，至少看起来就是这样。


　　海森堡测不准原理是量子之“蛆”的自然源头。该理论认为，某些成对的物理特性——位置和动量，能量和时间——被一种根本的不确定性捆绑在了一起，因此，其中一个被我们确定得越精确，另一个就会变得越模糊。合成一对，它们就形成了我们所说的一个共轭对，并将“无”的存在预先排除了。当我们对一个空间位置进行全力追踪时，作为补偿，动量将随之疯狂地波动;在确定更短、数量更为精确的时间时，能量的飘移不定就会大到令人难以置信的程度。在针尖之上，眨眼之间，一个完整的宇宙就能乍兴乍灭。如果把对准这个世界的镜头拉得足够近，你就会发现，我们那平静、结构严谨的现实世界不见了，取而代之的是混乱和随机。


　　只有这些共轭对自身不是随机的：它们是成对出现的物理特征，观察者无法同时对它们进行测量。让我们先把量子涨落有关的典型描述放在一边，看看在这个世界中，“在我们的外面”，还有什么并不是业已存在的、蠢蠢欲动的现实。实验已经一再证明，“在我们的外面”存在的东西根本不“存在” 于那里，而是在等待着，等待着出现。量子涨落不是与存在有关的描述，而是与条件有关的描述——它们并不反映出那是什么，而是反映出当一个观察者选择进行某种具体的测量时，他可能得到的是什么。似乎是，观测者的测量能力决定了有哪些事物存在。本体论概括了认识论，自然的不确定性就是观察的不确定性。


　　要给一个物理系统的所有特征都赋予确定的值是根本不可能的。这就意味着，当一个观察者进行测量时，其得到的结果将是完全随机的。在量子效应统治下的微观尺度上，因果链会受到纠缠的致命影响。量子力学的创始人尼尔斯·玻尔说：“量子力学和因果关系是势不两立的。”众所周知，爱因斯坦在量子理论面前止步不前，他说：“上帝是不玩掷骰子游戏的。”对这句话，玻尔的回答是：“爱因斯坦，不要告诉上帝他该做什么。”(译者注：量子理论代表的微观世界与相对论代表的宏观世界存在着根本的区别。宏观世界是服从因果率的、确定的，而量子世界是概率性的、不确定的、不服从因果率的。爱因斯坦终其一生都不赞同量子理论，并就此与玻尔展开过长期的论战。)




　　是：“爱因斯坦，不要告诉上帝他该做什么。”(译者注：量子理论代表的微观世界与相对论代表的宏观世界存在着根本的区别。宏观世界是服从因果率的、确定的，而量子世界是概率性的、不确定的、不服从因果率的。爱因斯坦终其一生都不赞同量子理论，并就此与玻尔展开过长期的论战。)


　　事情难道就是这样了吗?对于“为什么存在”这个问题，答案就是没有“为什么”， 难道存在就是一种随机的量子涨落?要是那样的话，我们就可以把所有的解释都忘得干干净净，只需用量子就可以跃过詹姆斯的那座桥了。万物是如何从无到有的?没有原因。不幸的是，这个把戏也就只能将我们蒙骗到这里而已。虽然宇宙学家的确相信，量子力学法则能够自发地产生一个宇宙，但是，这个故事只不过是在推卸责任。那些法则从何而来?别忘了，我们要解释的是事物是如何从无到有的，而不是事物是如何从先前已经存在的物理定律中衍生出来的。把因果关系从公式中去掉是远远不够的，因为那个自相矛盾的问题依然存在。


　　惠勒—德威方程的永恒宇宙


　　这个故事的主角是“时间”，它是“变化”的“载体”。解决我们这个自相矛盾的问题的关键难道是否定时间本身的存在?如果时间就像爱因斯坦说所的那样只是一个顽固而持久的幻觉，那么我们就可以立刻省掉很多东西了，不仅从自然法则中产生的因果率不必再去考虑，而且，关于那些自然法则从何而来的问题也可以省掉了。它们没有起源，因为一切都无须演化，而“故事”也将土崩瓦解。根本就没有什么故事，也没有什么“桥”。


　　永恒宇宙——或者说由永恒轮回驱动的循环宇宙的概念——在人类最早的神话和传说中就已经出现了，从非洲班图人的神话到澳大利亚土著传说中曾经的“黄金时代”，再到阿那克西曼德(译者注： 阿那克西曼德，约公元前610—前546，古希腊唯物主义哲学家、天文学家、数学家)的宇宙论，还有印度古籍《往世书》。从这些之中，我们可以看到“永恒”的感染力。“永恒”成功地避开了“虚无”。


　　到了现代，这个古老的理念又以稳恒态学说的面目重返人间，该理论由詹姆斯·杰恩斯爵士于20世纪20年代创立，于20世纪40年代末经弗雷德·霍伊尔等人优化推广开来。他们认为，宇宙是膨胀的，但是，新的物质不断地产生，以填补由于膨胀而产生的空缺，因此，按净值计算，宇宙根本从未发生过变化。该理论最终被证明是错误的。该理论被大爆炸理论取代，而其所谓的“永恒”也被降低到138亿年。


　　但是，到了20世纪60年代，“永恒宇宙” 又以一种十分奇怪的新形式再现人间——好像是这样一个方程式：H ( x )|Ψ>=0。物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒和布莱斯·德威特在试图将量子力学那些稀奇古怪的法则运用于宇宙总体上时，共同创造了这个方程式，而宇宙作为一个总体，是由爱因斯坦的广义相对论所描述的，因此，现在它又被称为惠勒-德威特方程式。虽然德威特更愿意叫它“该死的公式”，但是，它与上文提到的“该死的粒子(希格斯玻色子)”一点关系也没有。请注意，公式的右边等于“无”：0，系统的总能量等于“无”。在这里，时间没有演进，什么都不会发生。最终，问题归结为爱因斯坦的宇宙是一个四维时空，是一个空间与时间的结合体。同时，量子力学要求一个物理系统的波函数在时间中演化。但是，当时空一体，其本身就是时间时，它又如何能在时间中演化呢?这是一个让人恼火的两难问题——一个用量子力学描述的宇宙将不可避免地被冻结。惠勒-德威特方程式是逆转了的稳恒态宇宙学。不同于稳恒态宇宙学中永恒的宇宙，根据这个公式，我们将会发现自己正置身于一个永恒不存在的宇宙中。




　　就其本身而言，惠勒-德威特方程式优雅地解决了我们的问题。万物是如何从无到有的?答案是，万物从未从无到有过。当然，这实在是一个令人困惑的解答。好吧!你看，此时此地，我们就“存在”于这里。


　　这正是问题的关键所在。在量子力学中，除非观察者进行一个测量，否则，什么也不会发生(观察者可以是人，也可以是粒子的任何其他形态)。但是，当把宇宙作为一个整体时，就没有什么观察者可言了，因为没有人能站在宇宙之外。宇宙作为一个整体，是停留在了一个永恒的瞬间的。但是，站在宇宙的内部来看，事情就完全不同了。


　　在宇宙内部，观察者不能对整个宇宙进行测量，并且，基于一个简单而又深刻的事实——观察者无法衡量其自身，所以，观察者不可避免地要将现实中的自己一分为二，既是观察者又是被观察者。正如物理学家拉斐尔·布索所写的那样，“测量仪器必须与系统的量子态试图建立的自由度至少在的数量方面保持一致”。科学哲学家托马斯·布鲁尔曾引用哥德尔的论点来强调同一点：“当观察者自身就包含在系统中时，他将无法获取或保住足够的信息来区分系统的所有状态。”


　　作为观察者，我们注定永远只能看到一个巨大谜题的很小一部分，因为我们本身就是这个谜题的一部分。而这也许正是我们可以弥补缺点的优点。当宇宙被一分为二，方程式等号右边的“零”将呈现出一个新的意义。事物发生改变，物理现象发生，时间开始流动，你甚至可以说，宇宙诞生了。


　　如果这听起来像是逆因果论(未来的事件引发了过去的事件)——好吧，事情就是这样的。时间之箭的这种奇怪的反转是量子理论要求的。惠勒用他著名的延迟选择实验再次强调了这一事实，这个实验他最初的定位是一个思想实验，但是后来在实验室里得到了成功的展示。在延迟选择实验中，一个观察者在当前的测量决定了一个粒子在过去的行为——这个“过去”， 可以回溯到上百万年甚至138亿年前。因果链绕着自己转起了圈，首尾相接了：詹姆斯的“桥”成了一个环。


　　那么，“存在”是否可能就是，从“虚无”的内部看到的“虚无”的样子呢?如果这样的话，我们对“虚无”的不适感也许已经在提示我们，还有某种更为深远的东西：我们人类天性中对“虚无”这一概念的逃避，也许正是我们有限的人类视角会最终解开这个自相矛盾的切入点。