第九章　宇宙充實(shí)：關(guān)于實(shí)在的新的基本概念

全球范圍內(nèi)的智能飛躍包含了我們對這個世界的體驗(yàn)和認(rèn)識。不僅周圍的世界處于徹底的變革之中，我們對于世界以及宇宙本身的看法也在改變。這一點(diǎn)是關(guān)鍵的，因?yàn)槲覀兊氖澜绫緛砭褪怯钪娌豢苫蛉钡囊徊糠?，宇宙運(yùn)行的法則和程序普遍適用于地球和宇宙的其他地方。人類若要沿著正確的方向前進(jìn)，就需要我們對宇宙有一個正確的認(rèn)識。

科學(xué)對于宇宙本質(zhì)的理解有別于大多數(shù)人在這方面的想法。宇宙，其實(shí)并不是由在時空中運(yùn)動的零星物質(zhì)構(gòu)成的。最新分析表明，物質(zhì)只是能量的一種飛躍的形式；而空間和時間作為一個整體的動力元素同物質(zhì)以及各種形式的能量無時無刻不在相互影響著。此外，能量以各種形式出現(xiàn)于傳統(tǒng)世界以外的一個基本場或介質(zhì)中并且深嵌其中。宇宙的這間“幽深地下室”（deep basement）被賦予了形形色色的名字：量子真空（quantum vacuum）、統(tǒng)一真空（unified vacuum）、物理時空（physicalspacetime）、超空間（hyspace）等等。盡管這些名字都很玄奧，它的存在卻不僅僅是理論上的，而且完全不受名字的影響，它既非真空也不只是空間。能量和信息聚集在此，它是一個“宇宙空間”，天地萬物皆孕于此，時空中的一切事件皆源于此。

自然科學(xué)的最新進(jìn)展讓我們對實(shí)在有了一個新的了解。宇宙并非由三維時空中的物質(zhì)構(gòu)成。經(jīng)典的“質(zhì)點(diǎn)”概念已經(jīng)被淘汰了，該概念被存在于被動和統(tǒng)一三維空間及類似的被動和統(tǒng)一的時間中的嚴(yán)格的宇宙因果力量所掌控。新的概念把宇宙看成是一個有機(jī)聯(lián)系、逐漸演變的系統(tǒng)。宇宙的起源以及作用于其中的場和力，可被追蹤到一個巨大擴(kuò)展了的基本介質(zhì)中。

像科學(xué)界的其他理論一樣，關(guān)于物理實(shí)在的這種深奧理論并未以永恒的真理自居：它們隨時準(zhǔn)備修正。然而考慮到宇宙的否定的實(shí)在，我們不難想到自然領(lǐng)域的這個新概念也許并不需要修訂。新的物理學(xué)可以滿懷信心地申明：我們的宇宙并非是一個物質(zhì)運(yùn)動在由簡單因果規(guī)律所控制的中性空間的宇宙。相反，我們最好的發(fā)現(xiàn)是該宇宙是一個逐漸演變的、瞬時且永久相互關(guān)聯(lián)的、根本上完整的實(shí)在；是一個嵌在動態(tài)的自然真實(shí)的介質(zhì)中的宇宙，而該介質(zhì)與我們熟悉的由三維空間和相關(guān)聯(lián)的時間所構(gòu)成的世界是對向的。我們所謂的“物質(zhì)”是一種在此介質(zhì)中的波形能量模型?，F(xiàn)在讓我們更深地了解一下自然界的這種模式轉(zhuǎn)變是基于哪些發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的。

量子——我們過去常常認(rèn)為這些粒子是構(gòu)造物質(zhì)實(shí)在的材料——現(xiàn)在被證明更像波而不是微粒。量子的波的性質(zhì)最近由美籍伊朗物理學(xué)家阿夫沙（Shahriar Afshar）設(shè)計的一個巧妙實(shí)驗(yàn)展示出來。該實(shí)驗(yàn)是由楊（Thomas Young）在19世紀(jì)首先設(shè)計的“雙縫實(shí)驗(yàn)”調(diào)整而來，它展示了粒子的波粒二象性，但前者是根本的。（關(guān)于雙縫實(shí)驗(yàn)，下一章將會詳細(xì)討論。）實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計者使粒子的微粒外觀顯現(xiàn)出時，波形外觀依然存在，就像波形形成的干涉模型在顯示屏上擴(kuò)大一樣；當(dāng)光量子看似相互分離的實(shí)體——穿過兩條縫中的一條時（很可能是一個接一個地穿過的），波形并不消失。玻爾（Niels Bohr）的著名的“互補(bǔ)原則”認(rèn)為，粒子可以像波也可以像微粒，但是不能同時表現(xiàn)兩者。“互補(bǔ)原則”暗示了粒子的兩個可替代的特性是互補(bǔ)的：雖然兩種特性并非單個出現(xiàn)，它們卻共同完整地形成了粒子的狀態(tài)。但是在阿夫沙的實(shí)驗(yàn)中，甚至微粒外觀被觀察到時，波形依然存在；然而當(dāng)波形被發(fā)現(xiàn)時，微粒并不能被觀察到。

這些發(fā)現(xiàn)的意義是革命性的。盡管我們的感官覺察到的都是在空間運(yùn)動的固體物質(zhì)，但實(shí)際上，包括微塵、恒星、行星、巖石以及活著的有機(jī)體的物質(zhì)宇宙并不是物質(zhì)的：物質(zhì)性的東西應(yīng)該是在對向介質(zhì)中的永恒的、傳播著的、相互影響的波。

尼爾斯·波爾（1885～1962），丹麥著名物理學(xué)家諾貝爾獲得者。在量子理論和原子結(jié)構(gòu)方面貢獻(xiàn)卓越。

在20世紀(jì)，與三維時空世界對向的物理場的概念漸漸出現(xiàn)。而在20世紀(jì)以前，人們還一直認(rèn)為太空是炙熱空間，生物體穿梭其中會產(chǎn)生摩擦力。但是在邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)（Michelson-Morley）實(shí)驗(yàn)中，這種摩擦力并沒有成功產(chǎn)生出來，以太從此被請出了物理學(xué)家的天地。取而代之的是絕對的真空，然而真空被證明跟空白空間大不相同。在20世紀(jì)后半期發(fā)展起來的“大統(tǒng)一理論”（grand unified theories，GUTs）中，真空的概念由空白空間轉(zhuǎn)換成了載有“零點(diǎn)場”（zero-point field，ZPF）的介質(zhì)。（之所以稱為零點(diǎn)場，是因?yàn)樵诮^對0°時，這種場中的能量被證明存在，而能量的所有經(jīng)典形式都消失了。）在這種基本場和可視的事物與過程之間，更多的相互作用就呈現(xiàn)出來。20世紀(jì)60年代，狄拉克（Paul Dirac）向人們展示：費(fèi)密子（fermion）場中的波動使真空的ZPF產(chǎn)生偏振，由此真空影響到了粒子的質(zhì)量、電荷、旋轉(zhuǎn)、動量。在大致同一時間，薩哈羅夫（Andrei Sakharov）提出了相對的現(xiàn)象（在接近光速時，時慢尺縮的現(xiàn)象）是由真空中帶電荷的粒子受到零點(diǎn)場的保護(hù)導(dǎo)致的結(jié)果。在目前的超統(tǒng)一理論（超GUTs）中，宇宙全部的力和場都在“統(tǒng)一真空”中找到了源頭。

不過，在量子場理論的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)下，真空并非物理實(shí)在的一部分，而是一個人工制品，因場理論在數(shù)學(xué)上的要求而產(chǎn)生。真空是實(shí)在的、真正基本的介質(zhì)的這種認(rèn)識并非來自量子場理論中的數(shù)學(xué)，而是來自極其重要的、間接的證據(jù)——這些證據(jù)是通過廣泛的觀察途徑獨(dú)立積累起來的。

保羅·狄拉克，英國理論物理學(xué)家，量子力學(xué)的奠基者之一，因狄拉克方程與薛定諤共同獲得1933年諾貝爾物理學(xué)獎。

關(guān)于實(shí)在的概念來自兩個方面的證據(jù)。一方面來自于新物理學(xué)和宇宙學(xué)：越來越多的科學(xué)家逐漸得出這樣的結(jié)論，那就是量子及時空本身的層面不是宇宙的終極層面。在量子和時空的下面還有一層，時空和量子是作為它的組成成分從這一層出現(xiàn)的。另一方面的證據(jù)與該觀察相連：量子及其組成成分（包括有機(jī)體與思想）是固有地、“非定域性地”（正如看起來那樣）相聯(lián)系著。這使得一個猜想更具可能，即宇宙的基本層次不但是容納空間和時間的物質(zhì)的起源，而且也是使它們相互聯(lián)系的介質(zhì)。（在第十章我們將回到該論點(diǎn)及其證據(jù)中來。）

這些證據(jù)表明，人們通常所稱的（而且起誤導(dǎo)作用的）“真空”，并非量子場理論的模型真空所能完全表現(xiàn)出來的。當(dāng)今物理界有兩種真空概念，一是迄今為止還是“經(jīng)典”的、被作為理論構(gòu)想的真空概念；一是近來頻頻出現(xiàn)、具有革命性意義的真空概念，它被看成是宇宙的基本介質(zhì)。為了區(qū)別這兩個不同的概念，明智的做法就是在提到新觀念時，放棄“真空”這個標(biāo)簽；在任何時候它都不適合新觀念。因此，在本章及之后的章節(jié)，當(dāng)我們提到真空時將稱之為“宇宙充實(shí)”（cosmic plenum），用“量子真空”來代表量子場理論的抽象概念。

前麻省理工學(xué)院物理學(xué)家沃爾福（Milo Wolf）總結(jié)了被視作基本介質(zhì)的真空產(chǎn)生的重要意義。他認(rèn)為，這種介質(zhì)是物質(zhì)的唯一來源和宇宙的自然法則。結(jié)論是：“既然每個粒子的波與其他物質(zhì)的波都是相混合的，并且所有這些波決定了介質(zhì)的密度，那么可以推論，每個帶電粒子都是宇宙的一部分，宇宙也是每個帶電粒子的一部分?！?/p>

把真空視作宇宙空間這一理論，完善和補(bǔ)充了愛因斯坦的相對論（盡管這一理論對相對論的一個核心提出質(zhì)疑，即光的穩(wěn)定性）。相對論把時空看成是相對的、動態(tài)的，是與物質(zhì)和能量相互影響的。它是一個世間萬物展開的“背景”。但是，該背景的起源在相對論中卻未得到說明：時空，連同物質(zhì)和能量只是簡單地被“規(guī)定的”。這跟當(dāng)前被詳細(xì)闡述的“萬有理論”（theories of everything，TOEs）——即所謂的全能理論類似。只有TOEs的背景是獨(dú)立的，即它們不是僅僅假設(shè)時空的存在而是能夠展示出時空是如何在宇宙中出現(xiàn)的，它們才能真正的全能。發(fā)展到今天的TOEs，是難以做到這一點(diǎn)的，因?yàn)樗鼈兊拇蟛糠侄家韵依碚摚╯tring）或超弦理論（superstring）為基礎(chǔ)。甚至是1995年由威騰（Edward Witten）完善的超弦理論成就最高的M膜（Brane）版本，仍未能給出一個答案［該理論還存在其他問題：它未能把暗物質(zhì)（dark matter）的存在考慮在內(nèi)，并且在宇宙中需要十一維，而不是常用的三維或相對論用的四維］。

當(dāng)前的困境是找出宇宙更深一層的需要。“如果我們打算在自然界找到一種可以解釋空間和時間的元素，”惠勒（John Wheeler）堅(jiān)稱，“我們就不得不找出比空間或時間更深的東西——一種本身在空間或時間里沒有位置的東西。”

威廉·克利福德（1845～1879）英國數(shù)學(xué)家，在非歐幾里得幾何與射影幾何方面有諸多貢獻(xiàn)。

也存在支持宇宙空間真實(shí)性的獨(dú)立證據(jù)。自從愛因斯坦1915年發(fā)表廣義相對論以來，許多重要證據(jù)已問世，它們都支持構(gòu)成宇宙中可觀測事物基礎(chǔ)的介質(zhì)的存在。起初這種介質(zhì)被認(rèn)定是空間本身。19世紀(jì)，數(shù)學(xué)家克利福德（William Clifford）認(rèn)為：小塊空間與表面大致平坦的小山類似；幾何中普通的作用力不能支持它們。他說在一個波發(fā)生后，空間的可彎曲性或可扭轉(zhuǎn)性被持續(xù)不斷地從空間的一塊傳到另一塊。當(dāng)物質(zhì)運(yùn)動時，空間中真正發(fā)生的只有曲度的變化。因此可以說，自然界中除了波相的變化，沒別的事發(fā)生。

愛因斯坦1930年在論文“空間的概念”（The Concept of Space）中自己注釋道：“現(xiàn)在我們已得出結(jié)論，空間是最基本的，而物質(zhì)只能排第二；為補(bǔ)償空間以往的卑下地位，我們可以說，空間在吃掉物質(zhì)?！痹趷垡蛩固沟倪@種想法發(fā)表幾年后，薛定鍔（Erwin Schr?dinger）重述了這個基礎(chǔ)認(rèn)識。他注釋說：“我們所觀測到的物質(zhì)和力，其實(shí)只是形狀和空間結(jié)構(gòu)的變化，除此之外什么都不是?！?/p>

更遠(yuǎn)一些的證據(jù)涉及到光在空間中的傳播。有一些重要的證據(jù)證明，相對論中光速在真空中恒定不變的論斷并不總是正確的。早在1913年，薩格納科（G.Sagnac）在實(shí)驗(yàn)中展示，光速隨光源順時針和逆時針轉(zhuǎn)動而變化，從而證明了光速的可變性，但當(dāng)時這個發(fā)現(xiàn)幾乎完全被物理界忽視了。20世紀(jì)中期，很多研究者尤其是伊維斯（Herbert Ives）和謝爾弗托斯（Ernest Silvertooth）通過實(shí)驗(yàn)證明，光速在以前所誤認(rèn)為的空的空間（empty space）中是可變的。在20世紀(jì)90年代后期，郝（Lene Hau）和弗萊施豪爾（M.Fleischauer）分別以實(shí)驗(yàn)展出，在接近絕對0°時，光先是減速然后凝固不動。以往測得的每秒299,792,458米的光速在宇宙中只有在常規(guī)情況下才可能是正確的。

越來越多的理論把物理性質(zhì)歸因于空間——更確切地說，是歸因于與空間對向的場或介質(zhì)。意大利物理學(xué)家菲斯卡萊蒂（Davide Fiscaletti）和索爾利（Amrit Sorli）提議，自然現(xiàn)象發(fā)生的地點(diǎn)是一個與時間無關(guān)的四維物理空間（atemporal four-dimensions phsical space，簡稱ATPS）。“空的”空間以及組成可觀察的實(shí)在的明顯量子都是由ATPS內(nèi)部的“空間量子”（quanta of space，簡稱QS）構(gòu)成的；QS是建造客觀實(shí)在的基本材料。QS的長度是普朗克長度；它們以“基礎(chǔ)頻率”振動——然而可觀察世界中的量子卻以更低頻率振動。每一個明顯的量子都是由處于熵狀態(tài)的能量與一個或多個處于非熵狀態(tài)的QS之間相互作用的結(jié)果。內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如夸克、輕子和中間玻色子）量子的缺乏是量子與一個QS相互作用的結(jié)果：被賦予內(nèi)部結(jié)構(gòu)（指三夸克構(gòu)成的重子和一個夸克-反夸克對構(gòu)成的介子）的粒子則是粒子與數(shù)個QS相互作用的產(chǎn)物。

菲斯卡萊蒂和索爾利堅(jiān)持說，量子和場都是非臨時物理空間的特別狀態(tài)，而后者的存在是首要的。他們的結(jié)論是：宇宙是一個與時間無關(guān)的現(xiàn)象，它的構(gòu)成元素是其普朗克長度的空間量子。

在實(shí)驗(yàn)和理論構(gòu)建仍在繼續(xù)的同時，我們已經(jīng)可以放心地說，真正的空的空間已成為過去。物理學(xué)界所認(rèn)可的實(shí)在是一個充滿宇宙作用力和實(shí)質(zhì)粒子的宇宙空間。由粒子和粒子間相互作用所形成的可觀察和測量的世界是宇宙空間的子集。在宇宙誕生時，粒子及整個粒子相互作用的世界就從宇宙空間中出現(xiàn)了，而且，在銀河系大小的黑洞最終蒸發(fā)時，這些粒子死后進(jìn)入的就是這個宇宙空間。

在科學(xué)發(fā)展中，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)世界相悖的理論是必然的?？茖W(xué)家所認(rèn)識的世界正變得日漸龐大。在20世紀(jì)中期我們的銀河系便被認(rèn)作整個宇宙；今天我們知道還有一個總星系，那里有數(shù)十億其他星系。甚至我們還知道總星系也僅僅是我們的宇宙：在總的宇宙或“元宇宙”（Metaverse）中，或許存在如果不是數(shù)十億至少也得數(shù)百萬其他的宇宙。

不但我們的視野在延伸，而且宇宙本身的層次也在逐漸被擴(kuò)展。在由粒子、力和相互作用組成的可見的三維世界之下還存在另一個世界，在那里能量和物質(zhì)以未知的形式出現(xiàn)，時間和空間也不能被我們所感知。這間更深的地下室就是宇宙空間。它傳送著光子和玻色子（這種波的傳播如同我們已知的光和力的傳播一樣），并構(gòu)成了處在不斷裂變和聚變過程中的所有宇宙的基礎(chǔ)。