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物质是如何从真空中“无中生有”的?

 三平斋 2019-05-15

要解释物质如何“无中生有”最好通过量子场论来说。

用量子场论来看,物质存在的基本形态是量子场,每种粒子都可以看成是每种场的量子化表现。

大概意思就是,我们生活的空间中同时充满了各种场,彼此相互叠加,每一种粒子对应一种场。比如光子对应电磁场,电子对应电子场,中微子对应中微子场,62种基本粒子就有62种不同的场,同时可以分为三类:实物粒子场(费米子场)、媒介子场(规范场)、希格斯粒子场。

场是比粒子更基本的物质状态

量子场论认为,在所有场处于基态时,就是我们说的真空状态,没有任何粒子。基态是一种最低能量状态,不是没有能量。

而我们宇宙中随时有能量波动,当某种场受到对应的能量影响,场由基态转变为激发态,就会产生相应的粒子。场的不同激发态所产生的粒子数目及运动状态都不一样。

粒子的产生和溟灭,代表的对应场的激发和退激。不同场之间能进行能量转换,这些能量装换就变现为种种物理现象。

比如中子通过β衰变变为质子、电子和反中微子的过程,用量子场论表现就是下图。

由于场之间的弱相互作用,中子场由激发态退激到基态,释放的能量引起质子场、电子场、中微子场的激发,表现为中子泯灭,产生一个质子、一个电子、一反中微子。

所以说以量子场来看,真空其实并不是无,真空有基态的能量,而物质能“无中生有”其实是能量转变成了物质而已。

物质的这种“无中生有”方式其实还容易理解,但如果我告诉你,科学家们认为宇宙也是“无中生有”来的,你相信吗?

借题发挥,讲一讲宇宙“无中生有”的由来

现在最主流的宇宙理论是大爆炸理论,最早是1932年由比利时天文学家勒梅特首先提出宇宙是动态膨胀的假设,1948年,由移居美国的苏联物理学家伽莫夫在勒梅特假设的基础上正式提出了宇宙膨胀的理论。

而真正让这个理论成为网红的“大爆炸”一词,实际上来自于当时此理论的反对派英国天文学家霍伊尔。霍伊尔在上世纪50年代经常在电视上科普,而且坚持宇宙是稳恒态的观点。于是他用“大爆炸”来嘲笑这一理论,从此让宇宙大爆炸家喻户晓。

但随着伽莫夫预测的“宇宙背景辐射”相继被众多科学家证实,宇宙大爆炸理论瞬间成为了解释宇宙的第一大理论,在20世纪80年代,大爆炸理论得到进一步修正,科学家们提出了暴胀宇宙理论,即除了无法解释了宇宙奇点,再宇宙初期曾发生过超光速的超急速膨胀。

在从大爆炸开始后10-36s到10-32s间,宇宙从不原子还小的体积扩胀到了250px直径的球体。而光通过250px的空间,大概需要3.3×10-10s的时间。

至此,宇宙理论算是比较完整了,但奇点仍然是一个难题。

宇宙诞生时的“奇点”是一个物理上最不能接收的无穷大概念,无穷是一个纯数学的概念,在物理中其实是不适用的。

宇宙奇点让一切科学定律都失效了,这就成为了宇宙学最大的疑难:奇性疑难。

为了攻克这一难题,就出现了用量子理论来研究宇宙起源问题的量子宇宙学。因为诞生时宇宙的尺度是极小的,当然也就适合量子力学的解答范畴。

1982年,霍金等人最先用广义相对论与量子力学结合的量子引力场论来研究宇宙起源问题,用宇宙波函数来描述宇宙诞生时的量子状态,运用费曼的路径积分方法就可以得出宇宙出现的概率幅。

也就是说霍金等人的量子宇宙学可以从“无”中生“有”,这就避免了“奇点”的出现。至少在量子力学上,这种描述完全是合情合理的。

结论

“无,名天地之始;有,名万物之母。”就像老子的哲学思想一样,或许“无中生有”才是宇宙的真谛。而科学是让我们真正能看透这一本质的唯一手段。

看山是山,看山不是山,看山还是山。古人早有预言,但探知这条路,如果不坚定的走下去,永远不知道何为“还是”

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