序言 宇宙能否“無中生有”

自從本書英文精裝版首次出版以來，一些評論家曾本能地抵觸宇宙是“無中生有”的這一觀點，不過現在，他們的抵觸情緒已經被一個支持這一觀點的重大科學發現所削弱——希格斯玻色子的發現促使人們重新理解那些看似空無的空間與我們的存在之間的關系。我想在這一版的序言中詳細闡述希格斯玻色子，并回應那些評論家對本書的抵觸情緒。

當我將“Why There is Someting Rather than Nothing”（宇宙本無物，何處惹塵埃）作為本書副標題的時候，我是想將現代科學的偉大發現和一個在超過2 000年的時間里讓神學家、哲學家、自然哲學家以及廣大公眾著迷的問題聯系起來。但我當時完全沒有意識到，我所選擇的措辭可能會引發怎樣的爭議，就如同不論誰公開說“進化”是一種理論的時候所引發的爭議一樣。

人們通常所說的“理論”一詞的意思與其在科學領域意義是截然不同的。“空無”這個詞也一樣，對有些人來說這是個敏感話題，是他們不愿意提及的。所以，即使只是像使用“上帝”這個詞一樣使用這個詞，也可能被他們視為一種對立，以至于使他們對更重要的問題視而不見。使用“為什么”這個詞，也會產生類似的效果。而將“為什么”和“空無”兩個詞結合起來就會產生爆炸性的效果。

在本書的第9章中，我會詳細論述一個事實，我想在這里先介紹一下。在科學領域，每當有人問“為什么”時，他實際上想問的是“怎么會這樣”。“為什么”在科學領域并不是一個有效的問題，因為它通常意味著因果，而且有孩子的人都知道的，一個人可以永遠不停地問“為什么”，無論之前問題的答案是什么。最終，能結束對話的唯一辦法似乎只能是說“它就該如此”。

隨著科學的發展，問題本身的含義也會改變，尤其是“為什么”這一類的問題。這里舉一個科學發展早期的例子，其中說明的許多問題和我在本書中所論述的較為近期的問題有異曲同工之處。

著名的天文學家開普勒在1595年聲稱自己頓悟了一個非常重要的問題：“為什么會有6顆行星？”他堅信，答案就在5種柏拉圖立體中。柏拉圖立體是當時幾何學中的神圣之物。這些立體的表面可以由規則的多邊形如三角形、正方形等組成，并且可以外接出尺寸隨著立體的面數增加而增大的球。他推測，如果用這些球將6顆已知行星的軌道分離開來，也許它們與太陽的相對距離以及只有6顆行星這一事實將足以揭示上帝這位數學家的意志（幾何學是神圣的這一想法可以追溯到畢達哥拉斯）。在1595年時，“為什么會有6顆行星”是一個非常有意義的問題，因為它揭示了宇宙的因果。

然而，對現在的我們來說這個問題是沒有意義的。首先，我們知道太陽系的行星不是只有6顆，而是有9顆。(1)對我而言，冥王星將永遠是太陽系的一顆大行星，因為我喜歡通過這樣的堅持來惹惱我的朋友尼爾·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）。而且我女兒四年級的科學項目是以冥王星為主題的，我不希望這個項目徒勞無功！更重要的是，我們還知道太陽系并不是獨一無二的，這是開普勒與和他同時代的人所不知道的。如今，人們已經陸續發現了圍繞著其他恒星旋轉的2 000多顆行星，最有趣的是，它們是通過一顆名為開普勒的衛星發現的！

所以，更重要的問題不是“為什么”，而是“我們的太陽系怎么會有9顆行星（或8顆行星，取決于你怎么計算）？”顯然，宇宙中有著許多類似太陽系的存在，它們的特性各不相同，我們真正想知道的是太陽系在一眾“太陽系”中有多么典型。太陽系有4顆最靠近太陽的巖石行星，并在更外側環繞著一些更大尺寸的氣態巨行星，這具體是在怎樣的條件下形成的？這個問題的答案也許還能揭示在宇宙其他地方找到生命的可能性。

最重要的是，我們已經意識到6、8或9并沒有任何深刻的含義，它們并不代表某種神性的因果或者設計……沒有證據表明宇宙中的行星分布具有這種“因果”。不僅“為什么”這一問題變為“怎么會這樣”的問題，而且“為什么”這個問題本身已不再具有任何可證實的含義。

同樣，當我們問“為什么有物而不是空無”的時候，我們真正的意思是“怎么會有物而不是空無”，這導致我選擇的措辭再次引發爭議。有許多事實似乎是大自然所創造的“奇跡”，所以顯得如此“不證自明”，以致許多人放棄解釋我們如何出現，而將它完全歸因于上帝。但是我真正關心的問題，是科學可以解決的問題，是宇宙中所有的“物”是怎樣從“無”的狀態演變而來，你也可以將其理解為無形如何產生了有形。這是一件驚世駭俗的事。它打破了我們對世界的認知，尤其是有悖于各種形式的能量（包括質量）都是守恒的這一事實。常識告訴我們，“空無”從“無物”這個角度上說，總能量應該為零。那么，可觀測宇宙中的約4 000億個星系又從何而來？

為了讓“常識”符合我們對自然的理解，我們需要修正“常識”本身。對我來說，這是科學最顯著的特點和最自由的一面。對真實世界的深入了解使我們摒棄了在進化過程中產生的偏見和誤解。我們的智力進化自我們的祖先，但我們祖先的生死存亡取決于對捕食者是否潛伏在樹叢后面或洞穴之中的判斷，而不是對原子中電子波函數的理解。

當代的宇宙概念對我們來說太新穎太陌生，甚至對于一個世紀前的科學家而言都是如此。這是對科學方法的力量和人類創造力與毅力的頌揚，非常值得慶祝。正如我在這本書中所描述的那樣，“萬物如何無中生有”這個問題和可能的答案比星系如何從真空中出現更有趣。科學為空間和時間的產生提供了可能的路線圖，也許還為理解那些主宰時空變換的物理規律是如何意外誕生的提供了指引。

然而，對于許多人來說，即使知道這些古老問題的答案已經呼之欲出仍顯不足，因為關于空無的更深層次的問題占據了他們的思想。例如我們能否得知，絕對的空無，杜絕了任何事物出現的空無，是否就是因果的盡頭？或者是否可以說，能造物的空無或許仍僅是另外某些“物”的一部分，而我們，或任何其他形式的存在，也總是暗含其中？

在這本書中，我沒有認真探討這些方面，因為我不認為它們能為下面這個更有意義的話題添磚加瓦：“通過探索宇宙我們可以回答哪些問題？”我不去考慮這些哲學層面的問題，并不是因為我認為投身于回答這些問題的人沒有在努力定義正確的問題。相反，我忽略它們，是因為我認為它繞過了一些可以回答的物理問題。而這些與宇宙起源和演化有關的問題才是真正有趣的。毫無疑問，有人會認為這個有趣是我自己定義的，也許的確如此。但是，也正因如此，人們才更應該閱讀這本書。在這本書中，我沒有回答任何科學無法回答的問題。并且，我在定義“空無”和“有物”時措辭非常謹慎。如果這些定義不合你意，我也無能為力，請撰寫一本屬于你自己的書。但不要只因為現代科學不能慰藉你的心，就貶低這些卓越的人類探險。

現在，好消息來了！在剛過去的夏天，包括我在內的世界各地的物理學家，在一段特別反常的時間，把自己“粘”在電腦前，一同觀看科學家們操作日內瓦大型強子對撞機，并直播宣布他們發現了自然拼圖中缺失的最重要碎片之一——希格斯玻色子。

希格斯玻色子是在約50年前提出的。它的提出是為了使粒子物理學的理論預測和實驗觀測之間能夠保持一致。希格斯玻色子的發現是人類歷史上最令人矚目的智力探險之一。這一發現是任何對科學進步感興趣的人都應該知道的，它也使這本書的主題更加非凡。這一發現進一步證明了我們能感知的宇宙只是一個巨大的、主體被隱藏起來的宇宙的冰山一角，看似空無的空間為我們的存在種下了種子。

希格斯玻色子的預測伴隨著一場重要的革命，它徹底改變了20世紀后半葉我們對粒子物理學的理解。就在50年前，盡管在前半個世紀物理學取得了巨大進步，我們卻只搞懂了自然界四種基本力之一的電磁力如何與量子理論保持一致。然而，在接下來的10年中，不僅四種已知力的其中三種都被我們調查清楚了，我們還發現了自然界有一種新的優雅的統一。我們發現，所有已知的力都可以用一個統一的數學框架來描述，而且其中兩個力——電磁力和弱相互作用力（這種力主導了為太陽提供能源的核反應）實際上是同一種基本力的不同表現形式。

兩種區別如此之大的力是如何相互關聯的？畢竟，傳遞電磁力的光子沒有質量，而傳遞弱相互作用力的粒子質量卻非常大，大約是構成原子核的粒子的100倍，這也是弱相互作用力很小的原因。

英國物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）和其他幾位科學家證明，如果整個空間中存在滲透其中的不可見的背景場，即希格斯場，那么可以傳遞如電磁力這樣的力的粒子就可以與這個場相互作用，就像在糖漿中游泳一樣，它們的運動會因阻力而減速。結果就是，這些粒子表現得好像它們很重一樣，也就是說表現得就好像它們質量很大一樣。物理學家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）和之后進入這一領域的阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）將這一想法應用于謝爾登·格拉肖（Sheldon L. Glashow）之前提出的弱電和電磁力模型，結果所有的一切都相互吻合了。

這個想法可以擴展到自然界中的其他粒子，包括構成質子和中子的粒子以及像電子這樣的基本粒子，而所有這些粒子又組合起來構成了原子。如果一些粒子與這個背景場發生更強烈的相互作用，那么它最終會顯得更重。如果它們的相互作用較弱，它則會顯得更輕。如果它們根本沒有相互作用，就像光子，它仍然是無質量的。

如果有什么事情聽起來讓人覺得好得難以置信，那么這就是一個例子。質量的奇跡實際上就是我們存在的奇跡，因為如果沒有希格斯玻色子，就不會有星星，不會有行星，也不會有人。本來隱藏著的背景場似乎就是為了讓世界成為它現在的樣子。

但依靠無形的奇跡屬于宗教的范疇，而不是科學的內容。為了確定這一發現是否屬實，物理學家必須依賴量子世界的一個特點。與每個背景場相關聯的都是一種粒子。如果你在空間中選擇一個點，并且用足夠大的力去撞擊它，就有可能將真實的粒子敲擊出來。訣竅就在于要在足夠小的體積上用足夠大的力去撞擊，而這就是癥結所在。經過50年的嘗試，包括美國最后沒有成功實現的加速器在內，所有加速撞擊的嘗試都沒有發現希格斯玻色子的蹤跡。我當時打賭人們根本不會成功，因為作為一名理論物理學家，職業直覺告訴我，大自然的想象力通常會比人類更為豐富多彩。

直到2012年7月。

希格斯玻色子的發現可能不會幫助我們發明更好的烤面包機或更快的汽車。但人類對它的發現卻徹底展現了人類用自己的思想和技術去理解、控制自然的能力，可歌可泣。在那看似空無的空間中就隱藏著成就我們存在的最基本的元素。

希格斯玻色子的發現進一步證實了我在這本書中談及的許多想法。宇宙早期經歷了一個超光速膨脹期，稱為暴脹。在此期間基本上是從無中生有，產生了可觀測宇宙中幾乎所有的空間和物質。這一想法在很大程度上依賴于另一個場，和我們在過去發現的希格斯場非常相似，是在早期短暫起主導作用的場。

今天，滲透在所有空間的希格斯場的存在也引出了幾個重要的問題：“宇宙早期什么樣的條件導致了這樣的一個宇宙意外？”“為什么這個場有著我們所測量到的量值呢？”“它可能會與眾不同嗎？”“如果初始條件稍微有一點偏差，物理規律會不會造就一個與我們今天所觀測到的物質宇宙迥異的宇宙？”這些也正是我在本書接近尾聲時所要討論的那類問題。

無論這些謎題以及我將在本書中討論的其他謎題的最終答案如何，過去40多年來，我們在基礎物理學和天文學方面的發現都以深刻的方式改變了我們對于自己在宇宙中所處位置的認識。它們不僅改變了我們提出的問題，也改變了我們提出的問題的具體含義。這也許是現代科學最偉大的遺產，與偉大的音樂、偉大的文學作品和偉大的藝術一樣，也需要被大眾更加廣泛地分享。