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空间真的一无所有吗?

想象一下,如果你把宇宙中某个部分的所有东西全都拿走,那么还剩下什么?你或许会认为答案是“空无一物”,但这并不太对。在空间中充满了粒子和反粒子,各种不同的辐射,空间的曲率和引力波,你可以把这些东西以某种方式全都拿走,你就会发现自己处于一个纯粹的空的空间,没有任何东西可以让你与之相互作用。但是,这真的代表“空无一物”吗?或者仍然有东西在那里?

一个平坦、空的空间,没有物质、能量或任何曲率。(? Amber Stuver)

在物理学中有这么一个概念可以描述这个状态,即量子真空。它是指处于最低能量状态的空间,该状态所拥有的能量称为零点能,或者叫宇宙的基态。而量子物理最令人困惑的性质之一就是这个基态并不是真正处于零能量的状态。相反的, 它有一个有限的正值。但是,根据理论计算,这个值要比天文观测所测量到的值高出10^120倍,这无疑是物理史上最糟糕的预测。

毫不夸张的说,我们对”空“的物理其实知之甚少。科学家到现在还无法解释,为什么零点能不会随着时间的推移而稀释或减少?

NASA的WFIRST卫星的概念图,预计2024年发射,届时会对暗能量进行最精确的测量。(? NASA/GSFC)

未来,ESA的Euclid卫星和NASA的WFIRST都将对时空各处的零点能进行高精度的测量,并更好的对该值进行限制。通过对宇宙的膨胀进行测量,我们应该能够以前所未有的精度确定零点能是否在整个宇宙历史中处处都保持一致。

量子真空中的虚粒子。(? Derek Leinweber)

但这是否意味着零点能就等同于空?又或者我们对空的感知和概念仅仅是一种幻觉?它是否是我们理解宇宙更深层秘密的一把钥匙呢?

关于这个问题,不久前科学家在IAI(类似TED的一个组织)对此问题进行了一次讨论(点击文末阅读原文查看)。这次讨论包括了物理学家Laura Mersini-Houghton 和 John Ellis,以及哲学家James Ladyman。要回答这个问题,我们还需要尝试去理解许多问题:

  • 宇宙的基态能量,在过去是否要比现在大很多?(比如在宇宙暴胀时期)

  • 我们所处的空间和时间,是否是从一个位于这个宇宙之外的、某个真正空的状态诞生的?(这样的一个状态真的存在过吗?或者它的存在真的有意义吗?)

  • 我们这个宇宙的空,是否有别于其它的宇宙?

  • 宇宙真空所包含的虚能量是否与在其中的东西有关?

当我们去思考“我们的空”或许与“别处的空”不同时,这听起来似乎很奇怪。

量子真空——宇宙的零点能——是由“球”的位置所决定的。在宇宙暴胀的时候,它在“顶上”;而今天,它则在底端(但不等于零)。或许在未来它还会转化到更低的状态。(? E.Siegel)

但是宇宙热大爆炸就是沿着这个思路来的。宇宙的膨胀,就是从一个较高的零点能状态转化到较低的零点能状态的过程,也就是空间内在的大量能量转化到低能状态的过程。在这个转化过程中会产生所有的物质、反物质和辐射。理论上,我们或许会在未来的某个时间再一次经历这样的转化。

宇宙大爆炸后产生了物质、反物质和辐射。(? E.Siegel)

但是哲学对这样的解释并不满意。这个物理上的“空无一物”听起来就像“某些东西”,不是吗?当我们想要谈论空的时候,我们的概念是跳出这个宇宙时空的,但这样的思考是否真的有意义?在连空间都还没有产生的时候,哪有所谓的“外面”?在时间还没开始的时候,又何来的“之前”?

不管“空”究竟是什么,它应该包含了整个宇宙。

许多物理学家认为在正确理解空的意义前,想要从根本上的理解这个世界的万物是不可能的。我们可以理解支配空的时空的基本自然定律,但是我们不知道这些基本定律是从何而来的,以及它们本身是否就是“某样东西”。

粒子物理学的标准模型,描述了宇宙中的四分之三的基本定律。(? Contemporary Physics Education Project)

所以我们可以说宇宙确实来自于空,只要等待足够长的时间,它最终也会趋近于空。但前提是我们需要接受物理学意义上的空等同于真正的空。对空的定义可能无法不依赖于时空的定义,以及宇宙中的“规则”;这不是物理学家、哲学家或其他人都必须同意的观点。也没有任何物理实验可以说“我们创造了空”。

但有一些事情是肯定的:我们并非一直存在;我们也不会一直存在;我们只存在于当下。无论空是什么,我们都是存在于当下的某物。而无论当下存在着什么,在某些程度上说,它们都来自空,不管我们如何定义空。无论我们对宇宙有多了解,它都将回归到一种无限的物理意义上的空的状态。至于空的本性究竟是什么?这是我们会一直去寻找的答案。

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