无中生有

我不知道你对宇宙来自“虚无”这一观点有何感受，但这始终困扰着我。这正是我们困惑的根源所在：是否存在某种“无”可以生成“有”。这个问题让我寝食难安，但当得知历代（或许从人类有思想以来）无数的思想家都曾长久地思考过这个问题时，多少给我带来些许慰藉。“无中生有”的思想有着悠久的历史，例如，托马斯·阿奎那认为，这个问题本质上证明了上帝即为“第一因”。 ^[9]

如果你对这个“无中生有”的问题同样感到困惑，那么至少你并不孤单。

当我还在读研的时候，我总感觉其他人似乎都对如何解开这个哲学难题心知肚明，只是我还没有领悟。物理学界的主流说法似乎是“宇宙的诞生来自量子涨落”，仅此而已。当然，这种解释至今仍受到广泛追捧，后面我会详细探讨。然而，我一直觉得这种对宇宙起源多少有些敷衍的解释回避了（至少对我来说）一个更深层次的问题：就算是量子涨落导致了宇宙的形成，那么，究竟是什么为量子力学的存在提供了基础？又是什么为物理定律搭建了盛大的舞台？换句话说，这些统御万物的法则栖身何处？这些疑问在我心底埋藏多年，始终挥之不去。

许多物理学家会辩称（而且确实也有些人曾与我争论过），试图在暴胀之外寻求更深层次的解释毫无意义。这个关于为何有物而非无物的哲学问题常常让许多人感到沮丧，并恼羞成怒地将其斥为“超出科学范畴”。我承认他们或许有理，这个问题可能真的超出了科学的范畴。如果这个问题归根结底就是无解的，那么继续沉湎其中除了让像我这样的天体物理学家更加睡不着觉之外，也许没有任何实际价值。但我必须指出，这种回避态度是一种自我实现的预言。如果科学家因为可能没有科学解释就放弃探索，那我们取得科学进步的机会将更加渺茫。我也说不清原因，但明知不可为而为之的徒劳并不能阻止我的思维坠入无底深渊，而我相信有这种困扰的人绝不仅仅只有我一个。

同时我也认为，选择无视“无中生有”的问题完全是在推卸责任，科学已经将我们推向了这个驱动了无数代人思想与信仰的最玄奥的存在主义之谜的悬崖边上。可以肯定的是，从目前的情况来看，科学、哲学和神学之间必然在10 –43 秒内完成了某种交接，但我认为科学家不应就此全身而退，因为将来的实证研究很可能揭示出下一只驮着普朗克时期的乌龟。

在探讨是否或如何“无”中生“有”之前，我们需要退一步，先给“虚无”下一个精准的定义。在讲到这个问题的时候，我往往会花整整一节课的时间来讨论“虚无”，恐怕会有不少人因此而质疑自己的学费到底花得值不值。然而，“虚无”确实有几种不同的类型。实际上，全世界范围内的学术讨论已经阐述了多种类型的虚无，但在这里我会聚焦其中三种主要的类型。

第一类“虚无”是最浅显易懂的，可能也是多数人在思考“虚无”时最先想到的一种。在这种虚无的概念下，宇宙就像一间毛坯房，里面没有物质，没有能量，也没有力场。需要阐明的是，我们至今无法在实验室中实现这种类型的虚无——即使是在最极端的超真空腔室内，仍然存在渗入空间中而无法消除（至少目前还不能）的场，例如赋予物体质量的希格斯场。

第二类“虚无”则将虚无提升了一个层次，在这种情况下，连时空的基本结构都不复存在。我们依然用房地产来做比喻，这就像是你手握建造房屋的许可证，但连一块可以用于建造的土地都没有。不过，那些规定了什么能做、什么不能做的法则已然确立。这种类型的虚无之中既无实体，也无容身之所，但是支配可能性的底层法则仍然“存在”。这种类型的“虚无”明确提出了一个问题：这些法则没有宇宙得以栖身，那它们存在的根基是什么？然而，这个问题超出了这种“虚无”的范围（我们将在讨论宇宙定律的章节中进一步探讨）。

在这第二类“虚无”中，我们或许可以想象存在某种超自然力量，界定了可能性的疆域。换句话说，支配宇宙的法则与之同在。这正是许多神学家的观点，且在我看来很可能是正确的。但这只是将我们所面临的哲学困境往后推进了一点儿，毕竟无论这种超自然力量以何种形式存在，他也终究不是“虚无”，那么究竟为何有物而非无物？我们依然没有答案。

第三类“虚无”是最极端的：无物、无场、无容身之所、无底层法则。这是完全的、彻底的、无法用任何语言表述的虚空，甚至称其为“虚空”也不合适，因为这相当于默认了存在某种空空荡荡的容器。这种类型的“虚无”与当下（显然）存在的“某物”（例如我们面前的晚餐）之间的矛盾是最难调和的。在这种类型的“虚无”中，甚至连超自然力量也无处藏身，因为那将不再是“虚无”。

如果你期待我去解答这个哲学难题，那我恐怕要让你失望了。我与所有人一样困惑。我（基本上）已经接受了每次只能在乌龟塔上向下走一层的现实。不过，我还抱有一丝希望，也许当我们找到下一只乌龟时，真相就会更加清晰了。

在继续推敲下一只乌龟是什么之前，我想暂停一下，与你分享一个可观测宇宙的有趣特征。让我们想象一下，你想要买一辆车，但没有钱。一位非常善良且慷慨的朋友愿意提供无息贷款，助你圆梦。现在你有了车，但是欠朋友的钱正好等于汽车的价值。那么，从现实的意义来说，你的净资产为零。事实证明，宇宙也处于类似的境况之下，只是宇宙级的贷款体量极其庞大。

可观测宇宙的“净资产”似乎就是零（或者说，就我们目前的观测精度而言，确实无限趋近于零）。我们可以估算出整个可观测宇宙的全部质量/能量（这是正数），再估算出整个宇宙的引力势能（这是负数），结果显示，两者似乎相互抵消。如果宇宙的净资产为零，那么问题就从“为何有物而非无物”变成了“这笔贷款是怎么操作的”。

显然，此刻的我们正处于科学探索的边界，但这无法阻拦人类思考在我们所知的宇宙之前 可能存在的东西，哪怕这些推测（目前）游离于实证研究的范畴之外。主流研究策略一般是基于现有的物理学认知框架，尝试向外推演可能性。

在这些猜想中，有一个概念历史悠久，即宇宙不断经历着创造和毁灭的循环。纵观历史，在多种文化和神话历史中都有循环宇宙这一思想的身影。例如，在印度教和佛教的宇宙观中，都有“劫波”与“轮回”的概念，也就是宇宙的创生、毁灭和重生的往复循环。 ^[10] 古希腊宇宙论同样充斥着循环的概念，如恩培多克勒（大约生活在公元前5世纪）就提出了一种包含爱与冲突的循环宇宙论。 ^[11]

循环宇宙论自然会引人注目，它巧妙地回避了“开端”的问题，并且还为我们提供了心理慰藉，即相信无论现在看起来多么糟糕，都会有机会重新开始。现代循环宇宙论的基本模型提出，宇宙经历了无穷多次往复循环，其中每个周期都以“大爆炸”开始，以“大挤压”结束。根据这一假说，宇宙在大爆炸后膨胀和冷却，最终由于引力的作用而减速并自我坍缩，随后触发反弹并再次膨胀。

这套体系一度完美自洽且极具说服力，直到我们通过实证探究检验了宇宙膨胀的速度到底有多快。这导致了暗能量的发现（我确信你有能力向后翻页并找到关于暗能量的章节，所以此处不再赘述）。当然，我们对暗能量的认识仍然存在巨大空白，但就目前的观测结果而言，我们知道暗能量的作用强度会随着时间的推移而增强，并且致使宇宙膨胀呈加速态势。除非存在某种尚未探明的相变机制（我绝对不排除这种可能性），否则我们没有理由认为这种加速会停止。在这种情况下，循环宇宙论的可能性基本可以排除，这着实令人有些沮丧。

在物理学界，量子力学或许是关于宇宙起源最主流的解释。量子力学的迷人之处在于，它为“可能发生之事”提供了丰富的理论漏洞，当然，这也为伪科学猜想提供了无限的素材。然而，量子力学本身是经过充分实证检验的成熟理论。在量子世界中，“因”和“果”这样的概念缺乏严格的定义。这种因果关系的脱钩就像是往“宇宙诞生之谜”这间又闷又热的房间（尤其是在时间不存在的情况下）里注入了一股清冽的空气，使我们得以大胆构想，也许宇宙诞生根本无需“起因”，因为这个词本身已经失去了意义。

量子力学的另一个关键特性（我们将在关于黑洞的章节中深入探讨）是，粒子可以从“虚无”中凭空涌现与湮灭，这正是由不确定性原理的本质揭示的——在这种情况下，能量和时间无法同时具有精确值，而“虚无”则恰好对应能量严格为零的状态。不得不承认，单个粒子从量子场中涌现与整个宇宙从量子场中涌现之间存在天壤之别，但这个漏洞确实存在。然而，这也带来了新的问题：任何涌现行为都需要以量子场为基底。那么这种装载着量子场的“虚无”到底属于哪一类虚无？

在诸多关于宇宙“开端”的解释中，我接下来要提到的“无边界”假说可能是最抽象的，它要求我们从根本上以一种与日常体验完全不同的方式思考时间和空间。该假说最初由史蒂芬·霍金和詹姆斯·哈蒂于20世纪80年代提出，而他们正是本着消弭时间的“开端”这一目的，才提出这一假说。因此在“无边界”假说中，时间没有开端。 ^[12]

因为这个概念有点儿抽象，所以我们可以通过以下类比来理解它。

请想象出一个标准的地球仪，上面绘有我们常用的经纬线。现在，将自己想象成一名无畏的冒险家（或许实际上你就是这样的人，正好省事了），此刻正前往南极。当向南旅行时，你自然会意识到——就像所有无畏的冒险家都会意识到的——经线和纬线是垂直的，这为你辨别南北轴线和东西轴线提供了清晰的参照。然而，这种几何特性将会在你抵达南极的瞬间遭到彻底颠覆，无论你面向哪个方向，都是北方。不仅“南”这个方向消失了，“东”和“西”也一样。当然，站在南极点的你丝毫不会察觉到自己的脚下与几米外的地方有什么不同。这种所有方向均坍缩为“北”的结果，只存在于我们用来描述地球定位的标准坐标系中。

简而言之，无边界宇宙假说的机制是：其基本构想在于将时间和空间视为在时空中正交的维度（想想赤道上的纬线和经线），其中时间维度沿南北轴向延伸。而这一假说的绝妙之处在于，当我们到达宇宙的“南极点”（即时间的开端）时，就没有更远的地方可以去了。如果“时间=0”指的是南极，那么就不存在“时间=–1”的情况，因而在这个坐标系中也就没有“时间=0之前”的概念。

我们还有另外一种理解该模型中时间本质的视角，即时间呈现出“虚数化”或“类空间化”特征。为了直观地理解这一点，你可以想象沿着纬线将地球细细地切成薄片，最终你会得到一个由从北到南先是逐渐增大，随后逐渐缩小的圆圈堆叠而成的结构。这些圆形切片正是空间的切片。在南极点，不仅空间切片的大小趋近于零，而且原本与空间维度正交的时间维度，也扭曲成与空间维度相同的平面。

无边界宇宙的这一设想巧妙地规避了传统的因果律，以及关于宇宙“之前”的哲学困境，因为它完全排除了“之前”的概念。然而，它还是没有解释清楚，宇宙到底是在什么地方登台亮相的？

如果说无边界假说匪夷所思的话，那么接下来要登场的假说听起来就完完全全是科幻小说了，但它却实实在在地扎根于当下最前沿的物理学研究中（并且有经过同行评议的论文发表）。 ^[13] 该模型是暴胀的替代方案，而我之所以在这里提到它，是因为它也探讨了“大爆炸之前发生了什么”的问题。

这一模型的核心构想是，我们所在的宇宙可能是一个多维的“膜”，存在于更高维度的体积中（我们实在不擅长命名，姑且称之为“体空间”吧）。依照惯例，我们还是做一个类比，我喜欢把这个模型想象成漂浮在海洋中的巨型海带。其中，我们的宇宙就是海带，而体空间则相当于海水（这幅画面比实际上的物理模型要平和多了）。关键是，我们所在的膜并不唯一，体空间中可能漂浮着无穷多个膜（而我们所了解的情况非常有限）。如果两个宇宙膜发生碰撞，它们就会向对方注入巨大的能量。该模型的优势在于没有时间为0的概念，因此时间同样没有“开端”，但是在某个元宇宙中可能存在无限的时间，宇宙膜则在其中不断碰撞和分离。

我事先警告过你，这听起来像是科幻小说。但问题是，真实的物理学研究提供了足够的间接证据来支持这个理论。这一整套关于宇宙膜相互碰撞的疯狂想法，实则根植于另一个可能疯狂却又格外美丽的想法，即“弦理论”，我们将在相关章节中对其展开论述。这种不断手动植入“超链接”的方式是不是有些让人抓狂？相信我，我能理解你的感受。设身处地地想想看，我在写作的过程中也一直殚精竭虑地思考，到底应该以什么顺序来呈现内容。但是宇宙就是如此复杂和纠缠，或许我们不应该对许多未解之谜之间的相互关联而感到惊讶。

好消息是，这种所谓的“火劫宇宙模型”提出了一些有别于标准的暴胀范式得到的预测，并且这些预测都是可验证的，其中包括我们尚未探测到的原初引力波频谱。就当前的研究进展而言，虽然观测结果更加倾向于暴胀模型，但我还不准备完全放弃这个疯狂的火劫宇宙模型。退一万步说，即使宇宙膜的碰撞并非大爆炸的起因，静态的膜结构仍然可能是现实情况的一种有效描述。

但是，这些膜最初从何而来？

大爆炸与黑洞这两种天体物理环境具有一个共性，那就是它们都具有令人头疼的奇点，我们所掌握的所有物理定律在这里统统失效。不过，奇点也将我们导向宇宙起源的另外一种可能。

强烈的好奇心可能驱使着你注意到，这两种环境看起来好像存在镜像关系，例如，空间本身会流入黑洞内部，却又从大爆炸喷涌而出。这不正是我们想象中的黑洞的对立面——白洞吗？没错儿。事实上，相关研究已经发展为独立的“黑洞宇宙学”，而且同样有经过同行评议的论文发表。

暗能量的特性则为此注入了新的可能。根据我们目前（尽管有限）对暗能量的理解，它对空间结构的作用就像一种负压，而在爱因斯坦场方程中，负压表现为斥力。巧合的是，拉伸空间结构正是获得负压的一种方式。猜猜看，黑洞的内部会发生什么？在黑洞深处，空间结构被拉伸至临界状态，致使暗能量主导空间演化的进程，使空间像气球一样剧烈膨胀，而这种设想完全有可能成立（并且很可能在未来很长一段时间内保持如此，因为我们离了解黑洞内部发生了什么还很遥远）。这般图景是不是似曾相识？

就我们所知，现有观测结果与这样的宇宙完美契合：我们的宇宙诞生于母宇宙超大质量黑洞内部。这是好消息。但坏消息是，我们目前还没有办法通过实证手段对这一点进行验证，也无法在黑洞孕育的宇宙和传统的暴胀宇宙（即使是后者，也同样迷雾重重）之间做出决断。

这个假说令人心驰神往，如果可以选择一个假说作为解释大爆炸的解决方案，那么黑洞宇宙学将是我的答案（可惜现实从不理会你我的偏好）。从黑洞婴儿宇宙假说还可以推导出一个惊人的结论：我们自己的宇宙可能拥有无数个后代。更加精妙的是，根据弦理论的某些主张（在弦理论中，宇宙的确切属性是由紧致化额外维度的形态决定的），母宇宙可能通过物理常数的确切取值在某种程度上传递遗传信息 。若果真如此，便将催生宇宙的自然选择机制，正如物理学家李·斯莫林提出的自然选择机制：一个宇宙越是具备制造黑洞的天资，其孕育的婴儿宇宙就越强大。 ^[14]

不过我得再提醒一句，我们仍要面对母宇宙从何而来的问题。这将是又一只乌龟。

在探讨宇宙起源时，我们始终无法回避超自然力量存在的可能性，毕竟全球人口中的很大一部分都对此深信不疑。正如我们不能证明上帝存在一样，我们也无法证明上帝不存在。鉴于我们知道自己对宇宙知之甚少（更不用说还有很多东西我们甚至都不知道自己不知道），加之我们的感官和智力所面临的极大局限，我认为断然否定未知领域的可能性实在是人类傲慢的终极体现。

为了明确起见，此处的“超自然力量”所指的未必是传统意义上的“上帝”。事实上，它可以是任何超出我们现实领域之外的未知对象。它可能是某种超级智慧生物，至少按照人类标准来看具有超级智慧，尽管它们可能在自己的同类中显得愚钝不堪（出于对全人类的利益考量，但愿不是这样）。甚至整个宇宙可能只是某个高等智慧文明的实验室，或是它们中的某个学生的课外实践。就像我上小学时做过的植物对照实验（相信很多人都做过类似的实验）：有些植物浇了水，有些则没有；有些植物放在阳光下照射，有些则没有；有些植物被用了漂白剂，有些则没有。谁知道呢，也许我们的宇宙只是一份家庭作业。

再次强调，“超自然力量”并非虚无。

魔法思维

说到宇宙的奥秘，思考宇宙起源比其他任何话题都更容易让我陷入存在主义危机。这不仅是因为相关的物理现象是未知的（甚至可能是无法描述的？），更因为我总是会陷入哲学困境当中。我清楚地意识到，以我的智力根本不足以解答这个问题，那个根植于无穷倒退中的本质悖论，似乎找不到任何能让我信服的解决方案。正因如此，我常常倾向于将这个问题抛诸脑后，将其视为超出人类理解范围的超自然现象。

但这时，我的心底总会有另一个声音小声地提醒我，我不理解某件事并不意味着它就是无法理解的。我相当确定的是，无论我多么努力，我都无法教会我的宠物理解广义相对论，恐怕就连教会它们热力学都很艰难。记得有一次，我在家里举办聚会时布置了几个充满氦气的气球，当时我养的一只名叫真子的猫吓得完全失去了理智。在我和我的丈夫看来，真子的猫脑显然在思考：“那些在屋子里飘来飘去的东西违背了自然法则！”

以我们人类有限的大脑来看，难道我们真的如此傲慢，认为我们不理解某件事，就表示它一定是超自然的吗？这正是重温上一章关于认识论的内容中提到的“夹缝之神”这一谬误的好机会。当然，反过来说也是成立的：虽然我们自认为理解了某件事，但也不能排除它可能是超自然的。毕竟，克拉克三定律中的第三条是：“任何先进的技术，乍看之下都与魔法无异。”

小结

在“为何有物而非无物？”这个问题之后，常常会紧跟着另一个问题：为什么这种“有”中包含了生命？这个问题早在现代科学诞生以前就已存在，但如今或许已经在我们的能力范围之内。

若能证实地外（ET）生命存在，这无疑会成为人类历史上最重大的发现，甚至比火、车轮，乃至切片面包的发明还要重大。虽然这样的发现未必会动摇我们对现代科学的基本理解，但它无疑会彻底改变我们对自己以及我们在宇宙中所处地位的看法。

我从小信仰的宗教明令禁止地外生命的存在，即便在当时我也觉得这种禁令颇为怪异。有人指着《圣经》告诉我，宇宙是为人类创造的。我想，如果一个人既不了解宇宙的浩瀚无垠，又自诩为宇宙的中心，那么“人类即万物之意义”似乎就不会显得如现实所见那么荒谬了。

[1] T. Aquinas, Summa Theologiae: Questions on God , Cambridge University Press,2006.

[2] Augustine, St. Augustine’s Confessions (translated by E. B. Pusey), Project Gutenberg, 2001.如同前文所述的诸多以讹传讹的名言一样，这个所谓的圣奥古斯丁的回答并不准确。事实上，圣奥古斯丁在《忏悔录》第11卷中有明确的答复：“请看我对于‘天主在造天地之前做什么？’的答案。我绝对不愿再扔出那个为逃避这个问题的滑稽答案：‘他在为提出此问题的窥探天机者建造地狱。’”

[3] E. Kolb and M. Turner, The Early Universe , Chapman and Hall, 2018.

[4] 值得注意的是，从早期宇宙粒子的视角来看，10 –32 秒占据了宇宙年龄中相当可观的一部分。此外，若这些粒子以接近光速（“相对论速度”）运动，它们将经历时间膨胀效应——在粒子自身的参照系中，10 –32 秒可能成为极其漫长的时间跨度。

[5] C. Indicopleustes and J. W. McCrindle, Christian Topography of Cosmas, an Egyptian Monk , Cambridge University Press, 2010.

[6] E. R. Harrison, Darkness at Night: A Riddle of the Universe , Harvard University Press, 1987.

[7] L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Statistical Physics , Pergamon Press, 1958.

[8] E. Hubble, “A Relation Between Distance and Radial Velocity Among Extragalactic Nebula,” Proceedings of the National Academy of Sciences , 1929.

[9] T. Aquinas, Summa Theologiae: Questions on God , Cambridge University Press,2006.

[10] M. Juergensmeyer and W. C. Roof, Encyclopedia of Global Religion , SAGE Publications, 2001.

[11] W. Wallace, “Empedocles,” Encyclopedia Britannica , 1911. 恩培多克勒是一个非常有趣的人物。如果你有时间，不妨研究一下这个人，尤其是关于其死亡的故事。

[12] J. B. Hartle and S. W. Hawking, “Wave Function of the Universe,” Physical Review D , 1983.

[13] J. Khoury, B. Overt, P. Steinhardt, and N. Turok, “The Ekpyrotic Universe:Colliding Branes and the Origin of the Hot Big Bang,” Physical Review D , 2001.

[14] L. Smolin, The Life of the Cosmos , Oxford University Press, 1997. ac0edKVpT7IIBh9yDyODmjLMm2f+AKu9hdjP+mVfAohg1RrIZiNn4moXhWGY8G3a