數千年來，哲學家們一直在討論“虛空 （nothing）”的本質。但我們更想知道的是，現代科學對此有何評論嗎？在一個The Conversation對著名的宇宙學和天體物理學家馬丁·里斯（Martin Rees）的訪談中，里斯解釋說，當物理學家談論虛空時，他們指的是真空。聽起來這或許很簡單，但實驗表明，真空並非真的是空的——它潛藏著一種神秘的能量，這種能量可以告訴我們宇宙的命運。
○ 馬丁·里斯@三一學院。| 圖片來源：Nick Saffell
Q：真空與虛空真的完全一樣嗎?
A：在我們看來，真空似乎就是虛空的。打個比方，水對魚來說或許就什麼都不是——它是當你把在海中沉浮的所有東西都帶走時所剩下的東西。同樣，真空也被認為是十分複雜的。
我們知道宇宙非常空曠。空間的平均密度約是每10立方米一個原子——比我們在地球所能獲得的任何真空都要稀薄得多。但是，正如最近所證實的那樣，即使你把所有的物質都移走，空間也具有一種彈性，這種彈性能允許空間本身的漣漪——引力波通過它傳播。此外，我們還了解到，在空無一物的空間中，存在著一種奇異的能量。
Q：隨著量子力學在20世紀的興起，我們第一次瞭解到這種真空能量。量子力學支配著原子和粒子的微小世界。它表明，真空空間是由具有漲落的背景能量場組成的，由此產生了突然出現又突然消失的波和虛粒子。它們甚至能產生一個非常小的力。但大尺度的真空空間又是怎樣呢？
A: 事實上，20多年前科學家就發現了真空會產生一個大尺度的力。天文學家發現了宇宙正在加速膨脹。這是一個驚喜。我們知道這種膨脹已經有50多年的歷史了，但是人人都認為它會因為星系和其他結構間的相互引力作用而減慢。因此我們驚訝地發現，因引力導致的減速被“推動”膨脹的某種事物蓋過了。可以說，在真空中存在的潛在能量產生了一種斥力，這種斥力在大的尺度上超過了引力的吸引力。這種現象——被稱為暗能量，它是真空並非真的為空這一事實的最顯著的表現。的確，它決定了我們宇宙的長期命運。
Q：我們所能知道的東西是有極限嗎？在一個比原子小一千萬億億倍（10^24）的尺度上，時空中的量子漲落不僅能產生虛粒子，還能產生虛黑洞。這些都是我們無法觀測的範圍，我們必須將引力理論與量子力學結合起來，從理論上探索究竟發生了什麼——眾所周知這是非常難以做到的事。
A：有幾種理論都旨在理解這一點，其中最著名的是弦理論。但這些理論都還沒與現實世界相關——因此它們仍是未經檢驗的推測。但我認為幾乎每個人都承認，在引力與量子效應相遇的極小極小尺度上，空間本身就或許具有一個複雜的結構。
我們知道我們所在的宇宙具有三個空間維度：你能向左向右、向前向後、或向上向下地移動。而時間就像是第四個維度。但是我們強烈懷疑，如果我們能把空間裡極小極小的一點放大到可以探索的尺度，就會發現這是一個在五個我們無法看見的額外維度中緊密纏繞的摺紙。這與當你從很遠的地方看一根水管一樣，你會覺得它只是一條線。但是當你走進觀察，會發現你原先認為的一維實際上是三維。弦理論涉及到複雜的數學——它的許多競爭理論也是如此。但如果我們想要從最深的層面最接近於理解我們可以想象的被稱為真空的虛空，這種理論正是我們所需要的。
Q：以我們目前的理解，要如何解釋整個宇宙從無到有的膨脹？它真的是始於一點點漲落的真空能量嗎？
A：一部分理論學家認為，某些神秘的轉變或漲落或許突然觸發了部分空間的膨脹。如果被壓縮到足夠小的尺度上，量子理論中固有的漲落能夠震動整個宇宙。這大約發生在10^-44秒，也就是所謂的普朗克時間。這是一個時間和空間交織在一起的尺度，因此時鐘滴答滴答流逝的想法毫無意義。我們可以很自信地對宇宙進行推測回一納秒，也可較為自信地將宇宙推測回接近普朗克時間。但自那之後，所有的猜測就都不存在了，因為在這個尺度上的物理學必須要被某些更宏大、更復雜的理論所取代。
Q：如果說宇宙可能是由真空中的某個隨機部分的漲落所產生的，那為什麼同樣的事不能發生在真空中的另一部分——從而在無限的多重宇宙中產生平行宇宙？
A：許多物理學家都認為，我們的大爆炸並非唯一，以及能用望遠鏡觀測到的只是物理現實的一小部分，這是比較流行的觀點。此外，循環宇宙也有多種版本。直到50年前才首次出現證明大爆炸的有力證據。但從那以後，人們一直猜測這是否只是循環宇宙中的一個片段。而且越來越多的人開始意識到，即使擁有了最強大的望遠鏡，我們所能探測的空間和時間的體積也遠遠少於物理現實。
所以我們無從知道是否只有一個大爆炸或很多個——有些情形預測的結果是有很多大爆炸，有些則預測出只有一個大爆炸。我認為我們應該對所有的這些情形都進行探索。
Q：宇宙將如何終結？
A：最直接的長期預測認為，宇宙會加速膨脹從而變得越來越空、越來越冷。宇宙中的粒子可能會發生衰變，使得稀釋過程無限期地進行下去。在某種意義上，我們最終會得到一個巨大的空間，它會比現在的太空更空。這是一種情形，但也有其他情形涉及到暗能量的“方向”——會從斥力轉向引力，因此，當密度再次趨近於無窮時，就會發生坍縮，形成所謂的“
宇宙大坍縮”（Big Crunch）。還有一個源於物理學家羅傑·彭羅斯（Roger Penrose）的想法認為，膨脹的宇宙變得越來越稀薄，但不知何故，當宇宙中除了光子之外空無一物時，事物的尺寸可以被重新調整，以至於在這一巨大的稀釋後，空間在某種意義上變成了一些新的大爆炸的生成器。所以這是傳統的循環宇宙的一個獨特版本——但請不要讓我解釋彭羅斯的想法。
Q：你對科學最終能破解什麼是虛空一事有多大的信心？即使我們能夠證明，我們的宇宙始於真空場的某些奇怪漲落，難道我們不需要問真空場是從哪裡來的嗎？
A：科學總是試圖解答問題，但每當我們解答時，又會有新的問題成為焦點——我們永遠無法有一幅完整的繪景。當我在20世紀60年代末開始投身研究時，對大爆炸是否真的發生過一事是有爭議的。但現在關於這點已不再有爭議了，我們可以用2%的精度來描述宇宙從現在的138億年到剛一納秒時的過程。這是巨大的進步。因此，相信量子時代或“暴脹”時代所發生的一切具有挑戰性的問題，將能在未來50年內得到理解，並不是一種荒謬的樂觀。
當然，這也引發了另一個問題：人類的大腦究竟能理解到多少科學呢？例如，我們或許會發現，弦理論的數學在某種意義上是對現實的正確描述，但我們永遠無法很好地理解它，並將它與任何真正的觀測相比較。那麼，我們或許將不得不等待某種後人類的出現，以獲得更全面的理解。
但每個思考過這些謎團的人都應該意識到，物理學家的真空與哲學家的“虛空”是不一樣的。
原文標題為“What is nothing? Martin Rees Q&A”，首發於2018年8月15日的theConversation。原文鏈接：https://theconversation.com/what-is-nothing-martin-rees-qanda-101498。中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
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