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物質是如何從真空中“無中生有”的?

要解釋物質如何“無中生有”最好通過量子場論來說。

用量子場論來看,物質存在的基本形態是量子場,每種粒子都可以看成是每種場的量子化表現。

大概意思就是,我們生活的空間中同時充滿了各種場,彼此相互疊加,每一種粒子對應一種場。比如光子對應電磁場,電子對應電子場,中微子對應中微子場,62種基本粒子就有62種不同的場,同時可以分為三類:實物粒子場(費米子場)、媒介子場(規范場)、希格斯粒子場。

場是比粒子更基本的物質狀態

量子場論認為,在所有場處于基態時,就是我們說的真空狀態,沒有任何粒子。基態是一種最低能量狀態,不是沒有能量。

而我們宇宙中隨時有能量波動,當某種場受到對應的能量影響,場由基態轉變為激發態,就會產生相應的粒子。場的不同激發態所產生的粒子數目及運動狀態都不一樣。

粒子的產生和溟滅,代表的對應場的激發和退激。不同場之間能進行能量轉換,這些能量裝換就變現為種種物理現象。

比如中子通過β衰變變為質子、電子和反中微子的過程,用量子場論表現就是下圖。

由于場之間的弱相互作用,中子場由激發態退激到基態,釋放的能量引起質子場、電子場、中微子場的激發,表現為中子泯滅,產生一個質子、一個電子、一反中微子。

所以說以量子場來看,真空其實并不是無,真空有基態的能量,而物質能“無中生有”其實是能量轉變成了物質而已。

物質的這種“無中生有”方式其實還容易理解,但如果我告訴你,科學家們認為宇宙也是“無中生有”來的,你相信嗎?

借題發揮,講一講宇宙“無中生有”的由來

現在最主流的宇宙理論是大爆炸理論,最早是1932年由比利時天文學家勒梅特首先提出宇宙是動態膨脹的假設,1948年,由移居美國的蘇聯物理學家伽莫夫在勒梅特假設的基礎上正式提出了宇宙膨脹的理論。

而真正讓這個理論成為網紅的“大爆炸”一詞,實際上來自于當時此理論的反對派英國天文學家霍伊爾。霍伊爾在上世紀50年代經常在電視上科普,而且堅持宇宙是穩恒態的觀點。于是他用“大爆炸”來嘲笑這一理論,從此讓宇宙大爆炸家喻戶曉。

但隨著伽莫夫預測的“宇宙背景輻射”相繼被眾多科學家證實,宇宙大爆炸理論瞬間成為了解釋宇宙的第一大理論,在20世紀80年代,大爆炸理論得到進一步修正,科學家們提出了暴脹宇宙理論,即除了無法解釋了宇宙奇點,再宇宙初期曾發生過超光速的超急速膨脹。

在從大爆炸開始后10-36s到10-32s間,宇宙從不原子還小的體積擴脹到了250px直徑的球體。而光通過250px的空間,大概需要3.3×10-10s的時間。

至此,宇宙理論算是比較完整了,但奇點仍然是一個難題。

宇宙誕生時的“奇點”是一個物理上最不能接收的無窮大概念,無窮是一個純數學的概念,在物理中其實是不適用的。

宇宙奇點讓一切科學定律都失效了,這就成為了宇宙學最大的疑難:奇性疑難。

為了攻克這一難題,就出現了用量子理論來研究宇宙起源問題的量子宇宙學。因為誕生時宇宙的尺度是極小的,當然也就適合量子力學的解答范疇。

1982年,霍金等人最先用廣義相對論與量子力學結合的量子引力場論來研究宇宙起源問題,用宇宙波函數來描述宇宙誕生時的量子狀態,運用費曼的路徑積分方法就可以得出宇宙出現的概率幅。

也就是說霍金等人的量子宇宙學可以從“無”中生“有”,這就避免了“奇點”的出現。至少在量子力學上,這種描述完全是合情合理的。

結論

“無,名天地之始;有,名萬物之母。”就像老子的哲學思想一樣,或許“無中生有”才是宇宙的真諦。而科學是讓我們真正能看透這一本質的唯一手段。

看山是山,看山不是山,看山還是山。古人早有預言,但探知這條路,如果不堅定的走下去,永遠不知道何為“還是”

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