虚空：宇宙源起何处

英国科学促进协会前副会长，卢瑟福·阿普尔顿实验室（RAL）理论物理部部长，欧洲核子中心（CERN）公众推广部主任，著名粒子物理学家、作家，英国牛津大学物理学院弗兰克·克洛斯教授科普。

所有科学都是基于存在的研究，但是存在并非理所当然。

存在即有，有生于无，无又生于何？

科学与佛道学的完美契合。

我们时间和空间可能并非我们所感受的如此简单，时空概念其实更加深刻。

宇宙之前的虚空世界，是人类研究的极致科学领域。

由浅入深，为读者打开通往虚空世界的大门，

这可能是你一生遇到过的，对*晦涩难懂的科学领域的科普回答！ 

世间万物从何而来？时间和空间是如何从无到有的？假设我们从一个空间范围内移走了所有的物质，那么这个空间会回到*原始的“无”的状态吗？真空是真的空吗？学术界关于“无”的认识和讨论经历哪些变革呢？波、电磁场、以太、相和组织、力和希格斯真空等众多重要物理概念的出现带来哪些意义？本书将打开一扇宇宙之前的虚空之门，从浅入深带领读者进入玄妙的虚空世界。 

◎  作者简介

弗兰克•克洛斯（Frank Close）

英国人，牛津大学物理学教授，埃克塞特大学研究员，曾任卢瑟福•阿普尔顿实验室的理论物理学部门负责人，曾荣获了大英帝国官佐勋章（OBE）、英国物理学会开尔文奖。他还担任过欧洲核子研究中心公共教育和通讯部的负责人，因其在促进物理学的公众理解和科普写作方面的突出贡献，他获得了英国媒体评出的2007年*科普写作奖（“Sygenta Prize”）。他的其他作品有：《路西法的遗产》（2000）、《奥德赛粒子》（2002）、《虚空》（2007）等。

◎  译者简介

羊奕伟

四川人，博士，毕业于清华大学工程物理系。现就职于中国工程物理研究院，研究领域主要为核物理及高能物理。 

１ 庸人自扰
对虚空的早期理解 ／５
憎恶从何而来？ ／１１
空气／１３
制作真空 ／１５
布莱斯· 帕斯卡（ Ｂｌａｉｓｅ Ｐａｓｃａｌ） ： 水
与酒的博弈／１９
真空长什么样？ ／２０
大气压强 ／２２
２ 原子内部何其空旷
电子／２７
原子到底有多空旷？ ／３２
场 ／３６
场是否有大小 ／３９
重力场和平方反比定律／４２
波 ／４５
３ 空间
创世纪 ／４９
牛顿 ／５２
空间及运动的概念／５６
４ 波在何处
电磁场与波 ／６５
波的载体／６９
以太难题／７２
５ 随光束旅行
空间、时间及时空 ／８２
时空 ／８６
６ 自由空间的代价
时空扭曲 ／８９
引力和弯曲 ／９８
宇宙膨胀／１０２
７ 无限之海洋
量子世界／１０７
波和量子不确定／１１２
沸腾的真空 ／１１８
无限的海洋／１２６
８ 希格斯真空
相和组织 ／１３３
相变和真空 ／１３９
改变真空中的力 ／１４３
希格斯真空 ／１４６
９ 新的虚空
宇宙的状态／１５１
爆胀／１５５
更高维度 ／１６１
搜寻虚空

我们当中很多人在年少时都会突然遇到这样一个问题： “ 世间万物从何而来？”我们可能也好奇于在我们出生之前， 我们的意识委身何处。 你能识别你早的记忆吗？ 当 我刚开始上学时， 清楚地记得之前两到三年发生的事情，
特别是那些暑假在海边的美好时光， 但当我试图回忆更早发生的事情时， 印象就更加模糊了，直到消失。 我被告知那是因 为 我太年幼， 仅仅 ５ 岁 （ 生于 １９４５年） 。 我父母谈及的战争， 以及战前发生在他们身上的诸多事情，对于我来说毫无意义。 我所知的世界似乎是随着我的诞生而出现的，
在那时并不存在。 那么在我意识世界开始“ 之前”， 它们在哪里呢？
这种 １９４５ 年前所有事物构成的奇幻的虚无世界持续困扰着我；接着在
１９６９ 年， 一件事情将要带给我关于这个问题的新的想法。
这一年， 阿波罗 １０ 号掠过月
球表面， 展示给人类一个充满岩石和沙砾的不毛之地。 这片灰色荒原一直延伸到月 球的地平线，弧形地平线衬托出黑暗幽深的宇宙， 其间点缀着星罗棋布的、闪烁的群星，
以及无数无生命氢球聚变发出 的恒定光芒。 突然间，在这贫瘠的画面中出现了一颗绮丽的蓝色星球， 拥有白 色云朵和充满植物的绿洲： 人类历史性地次见证了地球的升起。
在这宇宙中至少有一处生命之所， 巨量的原子在那里有序地聚集在一起， 从而具有自 我意识并能带着求知欲凝视这个宇宙。
如果没有智慧， 生命会怎样？ 如果没有生命来了 解， 所有的存在有何意义？ 百亿年前的景象可能会是这样： 一个无生命的虚无世界在广阔的空间中盘旋，
体内杂乱地充斥着等离子体云和贫瘠的岩石块。 参照我个人的“１９４５
年前” 时期， 那时重力舞动也在进行只是没人意识到； 这个“ 意识前” 时期正如我的 “１９４５
年前”时期的一个巨大的扩展， 虽然没有生命， 但那时就存在的原子却构成了我们今天的身体。
一旦参与进来， 这些原子之间复杂的契合就变得有序， 从而创造出 所谓意识并且可以 看到 宇宙远处“ 意识前”无生命时期发出的光。 现在的我们可以接受见证早期的无生命时期， 它在这个事件之后已经成为了一种现实。 我们还不是从虚无中被创造出来的，
而是源自 原始的“ 粗糙物质”以及亿万年前形成的原子， 它们的有序排列聚集就形成了我们。
这就引出了我的终极问题： 如果没有生命， 没有地球， 没有太阳和星星， 没有用 于聚集的原子， 而只有虚无的空旷会怎么 样？首先我删除了我头脑中对宇宙的惯性思维印象，
来尽力想象剩下的一无所有的世界。 接着我发现了 一个哲学家们早就明白 的事情： 思考虚无是极其困难的。 年少无知时的我一直好奇在我出生前宇宙在何处， 现在我考虑的是如果我压根没有出
生， 宇宙会如何。 “ 我们是幸运的因为我们终将死亡” ①， 因为所有可能的 ＤＮＡ组合是无限的， 而其中有几十亿种永远无法引 发出意识。 对于那些永远无法出生或者已经死亡的东西， 宇宙又该如何？
所有文明都创造了关于人死后的神话， 所以很难接受当 脑死亡之后意识只能消亡。 但是对于那些永远没有开始也不会开始的 ＤＮＡ
组合，意识又意味着什么呢？
要理解意识的出现和消亡， 和理解宇宙万物如何从无到有一样困难。 物质是被凭空创造出来还是原来就有某种原始的东西？如果没人知道这里空无一物， 那么这里还能空无一物吗？
我越努力想解开这些谜团， 就越感觉自 己处在启蒙和癫狂的边缘。 若干年后， 作为一个资深宇宙学科学家， 我又重新回到这些问题上， 开启了一段寻找答案的新的旅程。
而所有的结果就是这一本薄薄的书。 我为我之前问过自 己这些问题而感到骄傲， 因为数百年来这些问题一直被无数大哲学家提及， 并且还没有公认的答案。 在不同时期，
当 一种哲学力压群芳， 人们接受到 的智慧也在进化。
可以存在一种真空吗， 一种一无所有的虚无状态？ 正如上帝是否存在的问题， 这些答案似乎要看你怎么定义虚无了。考虑到逻辑的巨大力量， 古希腊哲学家们持有相反的观点。亚里士多德就曾
断言不可能有一个完全虚空的地方。 甚至出 现了一个公理称为“ 自 然界憎恶真空”。 我首先需要研究的问题之
一就是这个公理意味着什么， 以及为什么它会在过去两千多年里被奉为真理。