关于实在的新的基本概念

第九章　宇宙充实：关于实在的新的基本概念

全球范围内的智能飞跃包含了我们对这个世界的体验和认识。不仅周围的世界处于彻底的变革之中，我们对于世界以及宇宙本身的看法也在改变。这一点是关键的，因为我们的世界本来就是宇宙不可或缺的一部分，宇宙运行的法则和程序普遍适用于地球和宇宙的其他地方。人类若要沿着正确的方向前进，就需要我们对宇宙有一个正确的认识。

科学对于宇宙本质的理解有别于大多数人在这方面的想法。宇宙，其实并不是由在时空中运动的零星物质构成的。最新分析表明，物质只是能量的一种飞跃的形式；而空间和时间作为一个整体的动力元素同物质以及各种形式的能量无时无刻不在相互影响着。此外，能量以各种形式出现于传统世界以外的一个基本场或介质中并且深嵌其中。宇宙的这间“幽深地下室”（deep basement）被赋予了形形色色的名字：量子真空（quantum vacuum）、统一真空（unified vacuum）、物理时空（physicalspacetime）、超空间（hyspace）等等。尽管这些名字都很玄奥，它的存在却不仅仅是理论上的，而且完全不受名字的影响，它既非真空也不只是空间。能量和信息聚集在此，它是一个“宇宙空间”，天地万物皆孕于此，时空中的一切事件皆源于此。

自然科学的最新进展让我们对实在有了一个新的了解。宇宙并非由三维时空中的物质构成。经典的“质点”概念已经被淘汰了，该概念被存在于被动和统一三维空间及类似的被动和统一的时间中的严格的宇宙因果力量所掌控。新的概念把宇宙看成是一个有机联系、逐渐演变的系统。宇宙的起源以及作用于其中的场和力，可被追踪到一个巨大扩展了的基本介质中。

像科学界的其他理论一样，关于物理实在的这种深奥理论并未以永恒的真理自居：它们随时准备修正。然而考虑到宇宙的否定的实在，我们不难想到自然领域的这个新概念也许并不需要修订。新的物理学可以满怀信心地申明：我们的宇宙并非是一个物质运动在由简单因果规律所控制的中性空间的宇宙。相反，我们最好的发现是该宇宙是一个逐渐演变的、瞬时且永久相互关联的、根本上完整的实在；是一个嵌在动态的自然真实的介质中的宇宙，而该介质与我们熟悉的由三维空间和相关联的时间所构成的世界是对向的。我们所谓的“物质”是一种在此介质中的波形能量模型。现在让我们更深地了解一下自然界的这种模式转变是基于哪些发现产生的。

量子——我们过去常常认为这些粒子是构造物质实在的材料——现在被证明更像波而不是微粒。量子的波的性质最近由美籍伊朗物理学家阿夫沙（Shahriar Afshar）设计的一个巧妙实验展示出来。该实验是由杨（Thomas Young）在19世纪首先设计的“双缝实验”调整而来，它展示了粒子的波粒二象性，但前者是根本的。（关于双缝实验，下一章将会详细讨论。）实验中，设计者使粒子的微粒外观显现出时，波形外观依然存在，就像波形形成的干涉模型在显示屏上扩大一样；当光量子看似相互分离的实体——穿过两条缝中的一条时（很可能是一个接一个地穿过的），波形并不消失。玻尔（Niels Bohr）的著名的“互补原则”认为，粒子可以像波也可以像微粒，但是不能同时表现两者。“互补原则”暗示了粒子的两个可替代的特性是互补的：虽然两种特性并非单个出现，它们却共同完整地形成了粒子的状态。但是在阿夫沙的实验中，甚至微粒外观被观察到时，波形依然存在；然而当波形被发现时，微粒并不能被观察到。

这些发现的意义是革命性的。尽管我们的感官觉察到的都是在空间运动的固体物质，但实际上，包括微尘、恒星、行星、岩石以及活着的有机体的物质宇宙并不是物质的：物质性的东西应该是在对向介质中的永恒的、传播着的、相互影响的波。

尼尔斯·波尔（1885～1962），丹麦著名物理学家诺贝尔获得者。在量子理论和原子结构方面贡献卓越。

在20世纪，与三维时空世界对向的物理场的概念渐渐出现。而在20世纪以前，人们还一直认为太空是炙热空间，生物体穿梭其中会产生摩擦力。但是在迈克耳逊—莫雷实验（Michelson-Morley）实验中，这种摩擦力并没有成功产生出来，以太从此被请出了物理学家的天地。取而代之的是绝对的真空，然而真空被证明跟空白空间大不相同。在20世纪后半期发展起来的“大统一理论”（grand unified theories，GUTs）中，真空的概念由空白空间转换成了载有“零点场”（zero-point field，ZPF）的介质。（之所以称为零点场，是因为在绝对0°时，这种场中的能量被证明存在，而能量的所有经典形式都消失了。）在这种基本场和可视的事物与过程之间，更多的相互作用就呈现出来。20世纪60年代，狄拉克（Paul Dirac）向人们展示：费密子（fermion）场中的波动使真空的ZPF产生偏振，由此真空影响到了粒子的质量、电荷、旋转、动量。在大致同一时间，萨哈罗夫（Andrei Sakharov）提出了相对的现象（在接近光速时，时慢尺缩的现象）是由真空中带电荷的粒子受到零点场的保护导致的结果。在目前的超统一理论（超GUTs）中，宇宙全部的力和场都在“统一真空”中找到了源头。

不过，在量子场理论的学术观点下，真空并非物理实在的一部分，而是一个人工制品，因场理论在数学上的要求而产生。真空是实在的、真正基本的介质的这种认识并非来自量子场理论中的数学，而是来自极其重要的、间接的证据——这些证据是通过广泛的观察途径独立积累起来的。

保罗·狄拉克，英国理论物理学家，量子力学的奠基者之一，因狄拉克方程与薛定谔共同获得1933年诺贝尔物理学奖。

关于实在的概念来自两个方面的证据。一方面来自于新物理学和宇宙学：越来越多的科学家逐渐得出这样的结论，那就是量子及时空本身的层面不是宇宙的终极层面。在量子和时空的下面还有一层，时空和量子是作为它的组成成分从这一层出现的。另一方面的证据与该观察相连：量子及其组成成分（包括有机体与思想）是固有地、“非定域性地”（正如看起来那样）相联系着。这使得一个猜想更具可能，即宇宙的基本层次不但是容纳空间和时间的物质的起源，而且也是使它们相互联系的介质。（在第十章我们将回到该论点及其证据中来。）

这些证据表明，人们通常所称的（而且起误导作用的）“真空”，并非量子场理论的模型真空所能完全表现出来的。当今物理界有两种真空概念，一是迄今为止还是“经典”的、被作为理论构想的真空概念；一是近来频频出现、具有革命性意义的真空概念，它被看成是宇宙的基本介质。为了区别这两个不同的概念，明智的做法就是在提到新观念时，放弃“真空”这个标签；在任何时候它都不适合新观念。因此，在本章及之后的章节，当我们提到真空时将称之为“宇宙充实”（cosmic plenum），用“量子真空”来代表量子场理论的抽象概念。

前麻省理工学院物理学家沃尔福（Milo Wolf）总结了被视作基本介质的真空产生的重要意义。他认为，这种介质是物质的唯一来源和宇宙的自然法则。结论是：“既然每个粒子的波与其他物质的波都是相混合的，并且所有这些波决定了介质的密度，那么可以推论，每个带电粒子都是宇宙的一部分，宇宙也是每个带电粒子的一部分。”

把真空视作宇宙空间这一理论，完善和补充了爱因斯坦的相对论（尽管这一理论对相对论的一个核心提出质疑，即光的稳定性）。相对论把时空看成是相对的、动态的，是与物质和能量相互影响的。它是一个世间万物展开的“背景”。但是，该背景的起源在相对论中却未得到说明：时空，连同物质和能量只是简单地被“规定的”。这跟当前被详细阐述的“万有理论”（theories of everything，TOEs）——即所谓的全能理论类似。只有TOEs的背景是独立的，即它们不是仅仅假设时空的存在而是能够展示出时空是如何在宇宙中出现的，它们才能真正的全能。发展到今天的TOEs，是难以做到这一点的，因为它们的大部分都以弦理论（string）或超弦理论（superstring）为基础。甚至是1995年由威腾（Edward Witten）完善的超弦理论成就最高的M膜（Brane）版本，仍未能给出一个答案［该理论还存在其他问题：它未能把暗物质（dark matter）的存在考虑在内，并且在宇宙中需要十一维，而不是常用的三维或相对论用的四维］。

当前的困境是找出宇宙更深一层的需要。“如果我们打算在自然界找到一种可以解释空间和时间的元素，”惠勒（John Wheeler）坚称，“我们就不得不找出比空间或时间更深的东西——一种本身在空间或时间里没有位置的东西。”

威廉·克利福德（1845～1879）英国数学家，在非欧几里得几何与射影几何方面有诸多贡献。

也存在支持宇宙空间真实性的独立证据。自从爱因斯坦1915年发表广义相对论以来，许多重要证据已问世，它们都支持构成宇宙中可观测事物基础的介质的存在。起初这种介质被认定是空间本身。19世纪，数学家克利福德（William Clifford）认为：小块空间与表面大致平坦的小山类似；几何中普通的作用力不能支持它们。他说在一个波发生后，空间的可弯曲性或可扭转性被持续不断地从空间的一块传到另一块。当物质运动时，空间中真正发生的只有曲度的变化。因此可以说，自然界中除了波相的变化，没别的事发生。

爱因斯坦1930年在论文“空间的概念”（The Concept of Space）中自己注释道：“现在我们已得出结论，空间是最基本的，而物质只能排第二；为补偿空间以往的卑下地位，我们可以说，空间在吃掉物质。”在爱因斯坦的这种想法发表几年后，薛定锷（Erwin Schrödinger）重述了这个基础认识。他注释说：“我们所观测到的物质和力，其实只是形状和空间结构的变化，除此之外什么都不是。”

更远一些的证据涉及到光在空间中的传播。有一些重要的证据证明，相对论中光速在真空中恒定不变的论断并不总是正确的。早在1913年，萨格纳科（G.Sagnac）在实验中展示，光速随光源顺时针和逆时针转动而变化，从而证明了光速的可变性，但当时这个发现几乎完全被物理界忽视了。20世纪中期，很多研究者尤其是伊维斯（Herbert Ives）和谢尔弗托斯（Ernest Silvertooth）通过实验证明，光速在以前所误认为的空的空间（empty space）中是可变的。在20世纪90年代后期，郝（Lene Hau）和弗莱施豪尔（M.Fleischauer）分别以实验展出，在接近绝对0°时，光先是减速然后凝固不动。以往测得的每秒299,792,458米的光速在宇宙中只有在常规情况下才可能是正确的。

越来越多的理论把物理性质归因于空间——更确切地说，是归因于与空间对向的场或介质。意大利物理学家菲斯卡莱蒂（Davide Fiscaletti）和索尔利（Amrit Sorli）提议，自然现象发生的地点是一个与时间无关的四维物理空间（atemporal four-dimensions phsical space，简称ATPS）。“空的”空间以及组成可观察的实在的明显量子都是由ATPS内部的“空间量子”（quanta of space，简称QS）构成的；QS是建造客观实在的基本材料。QS的长度是普朗克长度；它们以“基础频率”振动——然而可观察世界中的量子却以更低频率振动。每一个明显的量子都是由处于熵状态的能量与一个或多个处于非熵状态的QS之间相互作用的结果。内部结构（如夸克、轻子和中间玻色子）量子的缺乏是量子与一个QS相互作用的结果：被赋予内部结构（指三夸克构成的重子和一个夸克-反夸克对构成的介子）的粒子则是粒子与数个QS相互作用的产物。

菲斯卡莱蒂和索尔利坚持说，量子和场都是非临时物理空间的特别状态，而后者的存在是首要的。他们的结论是：宇宙是一个与时间无关的现象，它的构成元素是其普朗克长度的空间量子。

在实验和理论构建仍在继续的同时，我们已经可以放心地说，真正的空的空间已成为过去。物理学界所认可的实在是一个充满宇宙作用力和实质粒子的宇宙空间。由粒子和粒子间相互作用所形成的可观察和测量的世界是宇宙空间的子集。在宇宙诞生时，粒子及整个粒子相互作用的世界就从宇宙空间中出现了，而且，在银河系大小的黑洞最终蒸发时，这些粒子死后进入的就是这个宇宙空间。

在科学发展中，发现与现实世界相悖的理论是必然的。科学家所认识的世界正变得日渐庞大。在20世纪中期我们的银河系便被认作整个宇宙；今天我们知道还有一个总星系，那里有数十亿其他星系。甚至我们还知道总星系也仅仅是我们的宇宙：在总的宇宙或“元宇宙”（Metaverse）中，或许存在如果不是数十亿至少也得数百万其他的宇宙。

不但我们的视野在延伸，而且宇宙本身的层次也在逐渐被扩展。在由粒子、力和相互作用组成的可见的三维世界之下还存在另一个世界，在那里能量和物质以未知的形式出现，时间和空间也不能被我们所感知。这间更深的地下室就是宇宙空间。它传送着光子和玻色子（这种波的传播如同我们已知的光和力的传播一样），并构成了处在不断裂变和聚变过程中的所有宇宙的基础。