大爆炸之前的“有”與“無”

■ 陳壯叔

對天文界來說，20世紀(jì)60年代可說是宇宙學(xué)和天文學(xué)的大收獲時期，不僅觀察到了理論預(yù)言的中子星、微波背景輻射（它是宇宙創(chuàng)生大爆炸的余暉），而且最重要的是，經(jīng)科學(xué)家的長期努力，終于使大爆炸理論從眾多宇宙論中脫穎而出。按照這一理論，140億年前，空間中的一個極小的點(diǎn)突然大爆發(fā)，溫度達(dá)到無限大，能量和物質(zhì)井噴而出，空間開始膨脹，之后逐漸冷卻到今天的3K，而其可觀察的空間跨度約為140億光年。

這聽起來像是神話，但它確實(shí)是建立在廣義相對論的基礎(chǔ)之上，且取得了觀測證據(jù)的支持。20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家哈勃在觀測河（指銀河）外星系時發(fā)現(xiàn)它們都在退行，即都在離開我們遠(yuǎn)去。這說明我們的宇宙空間在膨脹，由此在時間上回溯，必然得到宇宙始于一個小點(diǎn)的結(jié)論。

從目前的觀測數(shù)據(jù)我們可以知道，銀河系含有2000億顆恒星；而據(jù)估算，宇宙中至少擁有2000億個星系。看到這里人們一定會感到十分奇怪，如此大量的物質(zhì)如何起源于宇宙的這個小點(diǎn)？換言之，大爆炸之前，宇宙是什么模樣的？

科學(xué)家現(xiàn)在正在尋找“之前”的答案。他們認(rèn)為，140億年前，在這個小點(diǎn)上并不存在宇宙，時空自發(fā)地從真空中跳出。換言之，宇宙似乎簡單地從“無”中出現(xiàn)。看來，我們真的碰上了“無中生有”，但卻讓人難以理解。一些研究者說，要相信“無”比相信“有”更困難。

宇宙的“無”與“有”絕不是哲學(xué)性的論述，而是物理學(xué)家探索的一個最大問題。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律（物理學(xué)中的一個重要原理，也即熵的定律。所謂熵是事物無序或混亂程度的一個量度），任何系統(tǒng)的熵隨著時間而增大，故熵有一種增大的趨勢。但每個系統(tǒng)熵的高或低并非都相同，例如，一個高溫氣體系統(tǒng)，任你對系統(tǒng)內(nèi)的分子做多種的排列，最終該系統(tǒng)的溫度和壓力仍不變。這就是一個高熵系統(tǒng)。相反，你對一個生命體的分子很難做出多種排列，否則它就將喪失生命，故生命體是一種低熵系統(tǒng)。

現(xiàn)在我們來看一下“無”的熵：你可以隨心所欲地?cái)噭右磺校罱K你看到的還是“無”，故“無”是一種最高熵態(tài)。

從熵的定律不可能得出“無”中可生“有”。所謂“有”就是有物質(zhì)或能量，這就意味著出現(xiàn)了有一定結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律的東西，也即出現(xiàn)了有序。因?yàn)椤盁o”中生“有”意味著熵在減小，但熵的定律卻認(rèn)為熵只能隨時間增大而不會減小，所以這是不可能的！

物理學(xué)家還提出了對稱性，它似乎對物理宇宙具有更大的影響，無論宇宙是怎樣出現(xiàn)的。“無”可以說是最對稱的，麻省理工學(xué)院的著名物理學(xué)家惠菲克說：“‘無’確實(shí)是最對稱的，沒有人能說出‘無’的這部分不同于另一部分。它是完全對稱的。”若“無”中生出了“有”，勢必打破了對稱性。

看來，物理學(xué)是不同意“無”中生“有”的。不過，事情并非如此簡單。

近20年來，科學(xué)家對宇宙學(xué)的研究深入到它最本質(zhì)的領(lǐng)域，即時間和空間。2003年，數(shù)學(xué)家華爾弗萊說，根據(jù)他的電腦模型，可證明熱力學(xué)第二定律是完全錯誤的；而其他研究者在不同條件下，尤其是在量子效應(yīng)發(fā)生作用的條件下，也在第二定律中找到不少漏洞。總之，近幾十年來，科學(xué)界對第二定律提出了空間的挑戰(zhàn)。

那么，對稱性又如何呢？惠菲克說，現(xiàn)在得知，對稱性是可被打破的。根據(jù)量子色動力學(xué)（該理論描述原子核內(nèi)部夸克的行為），“無”是事物的一種不穩(wěn)定態(tài)。惠菲克說：“你可構(gòu)成一種無夸克和反夸克的狀態(tài)，但它是很不穩(wěn)定的，它會自發(fā)地產(chǎn)生夸克—反夸克對。”這樣，“無”的完美對稱被打破了，這導(dǎo)致了一個意想不到的結(jié)果：“有”似乎要比“無”更為自然。根據(jù)量子論，不可能有“虛無”態(tài)，“虛無”態(tài)的能量必須精確為零。而量子世界必須具有不確定性，例如，真空中確實(shí)充滿著粒子的滾動，它不時地進(jìn)入和退出存在。從這個意義上講，你、我、他等萬物都是量子真空的受激態(tài)。

物理學(xué)家克羅斯說，可能有些事物能說明宇宙本身的起源。他說：“‘無’與充滿物質(zhì)的宇宙之間并無壁壘。”或者說，大爆炸正是“無”的自然作為。這就延伸出大爆炸之前是什么情況的問題，這段空隙的時間又有多久。很遺憾，基本的物理學(xué)在“之前”那里都宣告失敗。用霍金的話來說，“之前”這個概念是沒有意義的，這就像是在問“北極之北是哪里”一樣。不過，有些物理學(xué)家卻不如此看，他們認(rèn)為，“之前”這個思想有更驚人的結(jié)果，那就是“有”出于“無”，或者說“無”本身是不能存在的。

在量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理中，時間和能量是一對共軛量，二者可交替換位，因此，一個較長的時間有且只能含有較小的能量。要解釋我們的宇宙為何能延續(xù)如此長的時間（目前為137億年），以使星系、太陽系形成，生命演化到人這樣的智能生物，答案只有一個：宇宙的總能量必極小！而這也是“無”中如何生出“有”的答案。

這也符合科學(xué)界普遍接受的有關(guān)宇宙早期的理論。這一理論認(rèn)為，在大爆炸后，時空即刻出現(xiàn)了一次短暫爆發(fā)性的膨脹，簡稱暴脹，就此宇宙空間迅速擴(kuò)大，能量泛濫其中。但根據(jù)廣義相對論，更大的時空也意味著更強(qiáng)的引力。引力的吸引拉力代表負(fù)能，它跟暴脹的正能想抵消。故宇宙學(xué)家古斯（暴脹論的提出者）說，這實(shí)質(zhì)上構(gòu)成了一個“無”的宇宙。

物理學(xué)家總是懷疑，從“無”中生出“有”會違背所有的物理定律，諸如能量守恒。但若需要守恒的全部能量值為零，那么這個問題也就消失了。

宇宙從“無”中暴出，或者還有一個“更好”的說法：“有”就是“無”。迄今沒有哪一種理論能真正幫我們擺脫困境。我們關(guān)于創(chuàng)生的看法依賴于物理定律，尤其是量子論的不確定性。但這也意味著，物理定律在宇宙存在之前就已經(jīng)發(fā)揮作用，它指揮宇宙如何進(jìn)入存在。但是，物理定律如何能存在于時空之外呢？難道它沒有自己存在的原因嗎？一些人認(rèn)為，把“之前”看做“有”而不是“無”更為合理。

筆者認(rèn)為，“之前”時期的“無”與“有”理應(yīng)就是那么模糊的。既然宇宙的誕生是一個量子事件（霍金語），而量子世界中的事物總帶有雙重性。例如，粒子既是實(shí)物粒子又是波；同一粒子在同一時間內(nèi)，它既在這里又在那里；兩個相隔甚遠(yuǎn)（如幾十億光年）的粒子可在瞬間相互作用等等。所有這些現(xiàn)象，若用宏觀世界的觀點(diǎn)去看，豈非都是荒唐的嗎？