互动科普

“物质不灭”与“能量守恒”是基础化学与物理学的常识，但是人们往往无法接受“无中生有”的哲学理念或科学幻想。事实上，作为描述物质世界基本特征的两大要素，质量和能量之间的转化一直生生不息，遵从那个改变了整个世界的方程——爱因斯坦质能关系。它不仅揭示出原子弹爆炸所产生的巨大能量其实来源于裂变前后原子核的质量差，也生动体现了粒子与反粒子的产生和湮灭恰好是质量和能量的相互转化。量子世界内部的“无中生有”与浩瀚宇宙的“无极生太极”之间，可能存在着本质的关联。阐述它们的各自性质与相互影响的科学语言，就是当前最前沿的关于“无”的物理学。

物理学家们相信微观世界是由一些基本粒子构成的，其中一部分负责建立物质结构，诸如夸克和电子；另外一部分负责传递相互作用，例如光子和W玻色子。它们的存在与传统意义上“一无所有”的真空形成鲜明的对照。然而在量子理论中，真空是一个热闹非凡的地方：粒子与反粒子对在一定时间段内通过从真空借取能量而不断地无中生有，表面上破坏能量守恒定律但其实遵循海森堡的测不准原理。这些从真空产生出来的“虚”粒子带有与普通粒子相同的量子数，但是它们的能量与动量关系却不同寻常。当一种叫做“希格斯”的玻色子在量子真空中传播时，它会感觉到虚粒子的存在并与它们发生相互作用——负面的效果是美轮美奂的弱电规范对称性因此被破坏，而正面的效果是除了光子以外其他基本粒子因此获得了质量。鉴于希格斯玻色子的特殊功能，它被赋予了“上帝”粒子的美誉。换句话说，希格斯粒子扮演着为其他基本粒子提供质量源泉的关键角色。刚刚开始运行的大型强子对撞机LHC即将把人类带到前所未有的能量前沿，其首要的科学使命就是发现希格斯粒子，从而揭开“上帝”与“真空”的神秘面纱。

然而“无”的物理意义不仅如此。广袤空间的各种天体彼此渐行渐远是哈勃的伟大发现，它意味着我们所处的宇宙不断膨胀。倘若我们从“今天”出发逆流而上，将爱因斯坦的广义相对论方程沿着时间箭头的反向做演化，那么我们最终会到达一个密度与温度都无穷大的奇异点或者初始态——这就是宇宙的起点。再从这个时空起点出发沿着时间箭头顺流而下，我们就会得到一个粗略的宇宙历史图景： 宇宙始于“一无所有”的大爆炸，经历一百多亿年的膨胀、冷却以及能量与质量的重组，直至演化出今天包罗万象的宇宙空间与大尺度结构。宇宙的最终命运将会如何？它是否会始于“大爆炸”而终结于所有物质的“大湮灭”，成为一个密度与温度都无穷小、一片黑暗的“虚空”？

即便觉得宇宙的起点和终点都离今天太过遥远，人们仍然不得不面对另外一种更为现实的“无”，即“两暗一黑”的问题。倘若暗物质构成了物质世界的主体却隐藏在可观测宇宙的阴影里面，它的起源和本质是什么？倘若暗能量是推动宇宙加速膨胀的那只看不见的黑手，它的起源和本质是什么？倘若黑洞是一些质量大得可怕、体积小得出奇的“点”游离于宇宙空间，它的起源和本质是什么？暗物质与暗能量之间遵从爱因斯坦的质能关系吗？黑洞遵从量子力学和相对论的基本原理吗？即便有些理论物理学家宁愿相信微观和宇观世界的基本组分是“弦”而不是“点粒子”，我们最终能否听懂“黑”与“暗”的“弦”外之音？

寻找上述问题的答案需要借助最先进的探测手段。迄今为止，人类探索宇宙的起源和演化主要依靠光子探针或者说电磁波。作为宇宙线主要成分的质子成为把遥远天体的物理信息传递给人类的另一位信使。更为奇特的宇宙第三信使是中微子，它在可望的将来很有可能成为我们揭示宇宙的结构和天体的起源所必备的最有力的工具之一。如果引力波存在的话，它最终会为人类所用从而成为另外一种探索宇观世界背后无穷奥秘的神奇工具吗？

本期所特别策划的介绍“无”的物理学的科普文章，涵盖了人类目前所关心的物理学和宇宙学的最基本问题。它们起源于人类没有边界的好奇心和探索欲，也考验人类无可限量的智慧和才能。

（本文发表于《科学世界》2010年第3期）