虚空：宇宙源起何处

1 庸人自扰

1.1 对虚空的早期理解

1.2 憎恶从何而来？

1.3 空气

1.4 制作真空

1.5 布莱斯·帕斯卡：水与酒的博弈

1.6 真空长什么样？

1.7 大气压强

2 原子内部何其空旷

2.1 电子

2.2 原子到底有多空旷？

2.3 场

2.4 场是否有大小

2.5 重力场和平方反比定律

2.6 波

3 空间

3.1 创世纪

3.2 牛顿

3.3 空间及运动的概念

4 波在何处

4.1 电磁场与波

4.2 波的载体

4.3 以太难题

5 随光束旅行

5.1 空间、时间及时空

5.2 时空

6 自由空间的代价

6.1 时空扭曲

6.2 引力和弯曲

6.3 宇宙膨胀

7 无限的海洋

7.1 量子世界

7.2 波和量子不确定

7.3 沸腾的真空

7.4 无限的海洋

8 希格斯真空

8.1 相和组织

8.2 相变和真空

8.3 改变真空中的力

8.4 希格斯真空

9 新的虚空

9.1 宇宙的状态

9.2 暴胀

9.3 更高维度

9.4 搜寻虚空

书目提要

如果没有智慧，生命会怎样？如果没有生命来了解，所有的存在又有何意义？百亿年前的景象可能会是这样：一个无生命的虚无世界在广阔的空间中盘旋，其间杂乱地充斥着等离子体云和贫瘠的岩石块。参照我个人的“1945年前”时期，那时重力舞动也在进行，只是没人意识到；这个“意识前”时期正如我的“1945 年前”时期的一个巨大的扩展，虽然没有生命，但那时就存在的原子却构成了我们今天的身体。一旦参与进来，这些原子之间复杂的契合就变得有序，从而创造出所谓的意识并且可以看到宇宙远处“意识前”无生命时期发出的光。现在的我们可以接受并见证早期的无生命时期，它在这个事件之后已经成为一种现实。我们还不是从虚无中被创造出来的，而是源自原始的“粗糙物质”以及亿万年前形成的原子，它们的有序排列、聚集就形成了我们。

……

在大自然面前，我们人类的想象力总是那样有限。随着相对论、核原子的发现以及量子力学的提出，人们才知道罗德·凯尔文和迈克逊曾经的言论是多么幼稚可笑。在牛顿和爱因斯坦的力学理论中，对于大物体的行为描述可谓举世无双，范围大到整个星系小至掉落的苹果，甚至到光束。其中前者更偏向直接实验；而后者中的光却不容易直观感知。但人们发现，在原子尺度上却需要使用量子力学，它似乎展示了一个无法确定的魔幻世界。这个发现构成了现代科学的另一个重大基础，虽然直观上它难以被理解。如果我们要尝试理解虚空，就必须先了解深奥的量子力学。实际上，量子力学似乎暗示了亚里士多德可能是正确的：真空*不是空的，其中充满了激烈的活动。所以，首先让我们看看量子的概念，并理解其和牛顿- 爱因斯坦理论之间的联系。

和原子比起来，人类可算庞然大物。我们的感官非常发达，足以感知到周围的宏观世界。对于我们的祖先而言，他们的眼睛足够发达，能够感觉到光谱；他们需要时刻注意潜在的捕食猛兽，但是不用关心射电星或者原子什么的。要看到原子，需要特制的显微镜。而显微镜的出现不过百余年的时间，通过它人们发现的很多现象完全违背了已知的物理定律。例如，台球会按照固定的线路发生撞击，但是原子束的散射角度却有不同，不同区域强弱不同，就像水波穿过通道后发生衍射产生的峰和谷。在孩提时期，我们感觉到的都是宏观世界，由此建立起的直觉思维都是宏观的。之后我们对事物规律的预期都基于这种宏观直觉；而与波相似的原子却不符合这种常规情况。

在17世纪，人类对原子还一无所知。当时牛顿总结出了宏观体力学定律，之后被爱因斯坦提炼并形成了我们迄今公认的自然观。然而，这个自然观是非常粗略的。对于含有大量微小粒子的物体，可以用牛顿-爱因斯坦理论进行解释，但是这种解释非常肤浅。单个粒子服从一些更基本的准则，这些准则通常非常奇怪。比如，奇怪的是，单独原子的精确位置和运动状态是无法确定的。如果单独原子本身具有意识，经过这些实验之后它们也会发展出自己的直觉思维；它们会知道自己有直觉，而且也觉得自然而然。然而，自身意识包含有大量的原子。当大量的原子排列在一起，就会出现一些简单的规律性排列，导致组成的聚合物具有一些单独原子或小数目原子所不具有的性质。人类的意识只是其中一个例子；其他例子还有很多，例如金属的磁性、超导体的性质等，当原子聚集成宏观物体时才具有这些性质，单独的原子就没有这些性质。即使相同的原子或分子，通过不同的组织方式，也可以形成不同的状态，比如冰、水、水蒸气就是水分子的固态、液态、气态3种不同的相（到第8章，在讨论相变和特有真空时，我们会把这个理论进行拓展）。在这种情形下，从潜在的基本表现中，人们发现了一系列重大的物理定律。

在很多量子的情况下，我们不知道基本方程式，或者知道方程式但是发现完全不可解，但是仍然可以预言很多科学现象。这是因为不仅仅原子和分子遵从组织性，独立原子层面的物理定律也可以推广到新的复杂系统组织中去。独立原子层面的基本引导方程是已知的，但是我们只能在几个简单的条件中解出来，对于固态和液态一筹莫展。但是这并不妨碍工程师们设计建造钢架结构或者液压系统。电荷法则是热力学和化学的基础；然后引出了刚性定律，并*终成为工程准则。也许没有基本准则来解释物质的液态是如何产生的，但不妨碍我们知道很多液体的一般性质。液体中不同点的压力相同，这一点不同于引力效应；根据这个原理，人们设计出了水银气压表和各种液压装置。这是液态组织的性质，与原子层面的基本原则完全不相干。这直接导致了伽利略和托里拆利在液体和真空方面的发现，和本书开头描述的一样。

正是这些层次分明的结构和定律，使我们能够理解和描述这个世界；外层依赖于内层，但是又具有自己的特性，经常可以独立对待。所以，工程师们在建造桥梁时，只需要考虑压力和拉力，而不用考虑更基础的原子物理。

一直以来，所有工程和技术的基础都是牛顿运动定律——物体做匀速直线运动，直到受力改变运动状态；对于相同的力，质量越大加速度越小；加速度的方向和受力方向相同。在 300 年的漫长岁月中，这个定律一直适用得很好，但当物体接近光速时它就不适用了，这时候就得借助爱因斯坦的相对论了。而在原子尺度上，也需要用量子力学替代牛顿力学。

当前的物理实验基本都是在大体积物质层面上，对于内部原子理解相对较少，但是各种现象暗示内部的原子结构时刻在进行着剧烈的运动。我们能看见植物不断长高，并不会看见碳和氧从空气进入植物中并*终变成叶子；面包中的粮食会神奇地形成人体，因为分子被重组了。所有这些情况都是原子在发号施令，而我们这些笨重的宏观体只能看见大型的*终产物。牛顿力学也只能对那些大型物质的行为适用。

牛顿之后经过两百年，人类才发展出足够的实验技术，开始认识原子结构。从20 世纪初开始，各种原子粒子层面上的奇怪实验现象不断出现，似乎不符合牛顿力学，比如早先我们提到的原子具有波动性。

这个谜团的*终结果是，“这是科学史上一个经典的案例，即理论必须遵从实验，别无其他。”在 20世纪20年代，量子力学定律被发现了，这是一种作用于微小物质的力学机制。量子力学出现以后，就可以预言很多精度达到十亿分之一的事件了。但是它也引出了很多稀奇古怪的悖论，江湖术士会利用它来骗人说：科学家们正在研究平行宇宙，在那里猫王仍然健在，而且可以通过心灵感应进行交流。

这种悖论有很多，一直困扰着我们，其中一个悖论是：移除物质、场等所有事物之后，可以形成一个虚空，但是随之产生的大尺度的空旷本身也是一个集体效应。从原子尺度看，虚空内部充满了剧烈的运动、能量以及粒子。

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