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解讀宇宙的起源,真空是如何通過「無中生有」產生物質的?
2023/03/20

現代主流科學理論認為,我們的宇宙誕生于138億年的宇宙大爆炸,體積無限小的奇點突然膨脹,之后經過漫長演化,成為了如今我們看到的豐富多彩的世界。

那麼,奇點到底是怎麼來的呢?它為什麼可以「無中生有」?

用經典物理學很難解釋,因為熱力學定律告訴我們,物質不能「無中生有」,能量和物質是守恒的,物質怎麼可能憑空出現呢?

而且「無中生有」也不符合我們的日常生活認知,如果有什麼東西能「無中生有」,我們不但理解不了,更會嚇破了膽!

但有一種理論可以詮釋物質到底是如何「無中生有」的,它就是量子場論。

該理論認為,所謂的「真空」并不是「什麼都沒有」,而是處于基態的場,如何理解這句話?

在萬物之初,空間里充滿了各式各樣的場,相互交織在一起,當所有的場都處于基態時,也就是沒有被擾動的場,就是我們通常所說的真空狀態,這樣的狀態是沒有任何粒子的。

基態是能量的最低形態,并不是沒有能量。

宇宙中可能會隨時出現能量波動,處于基態的場就會受到擾動,從基態變為激發態,受到激發的場就會產生相應的基本粒子,而每種基本粒子其實都可以看作某種場的量子化體現。

比如說,光子就對應電磁場,電子對應的是電子場等等,也就是說,處于基態的電磁場受到擾動就會變成激發態,形成光子。至今人類已經發現了62種基本粒子,也就對應62種不同的場。這些粒子又可以分為三大類,分別是費米子,玻色子和希格斯粒子。

受到激發的場也會重歸平靜,退回基態。任何事物都會傾向于向基態發展,因為基態是最穩定的狀態。就像山上的石頭,總有向下滾落的趨勢,任何風吹草動都可能導致石頭滾落到山谷,對于石頭來講,山谷就是「基態」,那里最穩定。

而粒子的衍生與湮滅,對應的正是某種場的激發和基態。不同的場之間也可以進行能量轉換,體現出來的就是我們常見的物理現象。

比如說中子可以轉變為質子,如何轉換的呢?通過貝塔衰變(β衰變),在這個過程中還會產生電子,反中微子。

具體過程就可以通過場的概念來解釋。通過場的弱相互作用,中子場由激發態重回到基態,這個過程中會釋放能量,同時引起其他場由基態變為激發態,這些場就包括質子場,電子場等,從而就會產生質子和電子等基本粒子。

能夠看出,所謂的真空,并不是「一無所有」,而是處于基態的場。所謂的「無中生有」本質上只是基本的能量轉化為基本粒子罷了。

而我們的宇宙就是通過這種「無中生有」的方式誕生的。下面簡單了解一下宇宙大爆炸理論。

宇宙大爆炸理論最初是由物理學家勒梅特提出來的,「大爆炸」三個字一開始本來帶有嘲諷目的,沒想到後來成為了家喻戶曉的理論,後來也真的被很多證據證明,比如說宇宙微波背景輻射,哈勃發現的紅移現象等。

宇宙大爆炸理論發展至今,已經相當成熟完整,但仍有一個重大瑕疵,那就是奇點的由來。

物理學上從來不接受無窮的概念,無窮屬于抽象概念,而物理學研究的是具體概念,無窮只屬于數學研究的范疇。

也就是說,無窮小的奇點,讓所有的物理學都失效了,這也是宇宙大爆炸理論非常尷尬的地方,無法解釋奇點的誕生。

而詭異的量子力學和量子場論就可以避免奇點的尷尬,用處于基態的場來描述宇宙誕生時的狀態,用宇宙的波函數描述宇宙誕生之前的狀態,也就是量子狀態,計算出宇宙出現的機率。

也就是說,我們宇宙的出現是一種完全隨機的行為,出現的幾率到底有多大可以用費曼的路徑積分方法計算出來,用波函數表達出來。

說白了,世界上并不存在絕對的「無」。宇宙大爆炸之前并非「什麼都沒有」,而是由各種處于基態的場形成的「混沌」狀態,受到擾動的基態場轉變為激發態,從而產生了基本粒子,然后基本粒子形成了宇宙萬物。

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