序言 宇宙能否“无中生有”

自从本书英文精装版首次出版以来，一些评论家曾本能地抵触宇宙是“无中生有”的这一观点，不过现在，他们的抵触情绪已经被一个支持这一观点的重大科学发现所削弱——希格斯玻色子的发现促使人们重新理解那些看似空无的空间与我们的存在之间的关系。我想在这一版的序言中详细阐述希格斯玻色子，并回应那些评论家对本书的抵触情绪。

当我将“Why There is Someting Rather than Nothing”（宇宙本无物，何处惹尘埃）作为本书副标题的时候，我是想将现代科学的伟大发现和一个在超过2 000年的时间里让神学家、哲学家、自然哲学家以及广大公众着迷的问题联系起来。但我当时完全没有意识到，我所选择的措辞可能会引发怎样的争议，就如同不论谁公开说“进化”是一种理论的时候所引发的争议一样。

人们通常所说的“理论”一词的意思与其在科学领域意义是截然不同的。“空无”这个词也一样，对有些人来说这是个敏感话题，是他们不愿意提及的。所以，即使只是像使用“上帝”这个词一样使用这个词，也可能被他们视为一种对立，以至于使他们对更重要的问题视而不见。使用“为什么”这个词，也会产生类似的效果。而将“为什么”和“空无”两个词结合起来就会产生爆炸性的效果。

在本书的第9章中，我会详细论述一个事实，我想在这里先介绍一下。在科学领域，每当有人问“为什么”时，他实际上想问的是“怎么会这样”。“为什么”在科学领域并不是一个有效的问题，因为它通常意味着因果，而且有孩子的人都知道的，一个人可以永远不停地问“为什么”，无论之前问题的答案是什么。最终，能结束对话的唯一办法似乎只能是说“它就该如此”。

随着科学的发展，问题本身的含义也会改变，尤其是“为什么”这一类的问题。这里举一个科学发展早期的例子，其中说明的许多问题和我在本书中所论述的较为近期的问题有异曲同工之处。

著名的天文学家开普勒在1595年声称自己顿悟了一个非常重要的问题：“为什么会有6颗行星？”他坚信，答案就在5种柏拉图立体中。柏拉图立体是当时几何学中的神圣之物。这些立体的表面可以由规则的多边形如三角形、正方形等组成，并且可以外接出尺寸随着立体的面数增加而增大的球。他推测，如果用这些球将6颗已知行星的轨道分离开来，也许它们与太阳的相对距离以及只有6颗行星这一事实将足以揭示上帝这位数学家的意志（几何学是神圣的这一想法可以追溯到毕达哥拉斯）。在1595年时，“为什么会有6颗行星”是一个非常有意义的问题，因为它揭示了宇宙的因果。

然而，对现在的我们来说这个问题是没有意义的。首先，我们知道太阳系的行星不是只有6颗，而是有9颗。(1)对我而言，冥王星将永远是太阳系的一颗大行星，因为我喜欢通过这样的坚持来惹恼我的朋友尼尔·德格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）。而且我女儿四年级的科学项目是以冥王星为主题的，我不希望这个项目徒劳无功！更重要的是，我们还知道太阳系并不是独一无二的，这是开普勒与和他同时代的人所不知道的。如今，人们已经陆续发现了围绕着其他恒星旋转的2 000多颗行星，最有趣的是，它们是通过一颗名为开普勒的卫星发现的！

所以，更重要的问题不是“为什么”，而是“我们的太阳系怎么会有9颗行星（或8颗行星，取决于你怎么计算）？”显然，宇宙中有着许多类似太阳系的存在，它们的特性各不相同，我们真正想知道的是太阳系在一众“太阳系”中有多么典型。太阳系有4颗最靠近太阳的岩石行星，并在更外侧环绕着一些更大尺寸的气态巨行星，这具体是在怎样的条件下形成的？这个问题的答案也许还能揭示在宇宙其他地方找到生命的可能性。

最重要的是，我们已经意识到6、8或9并没有任何深刻的含义，它们并不代表某种神性的因果或者设计……没有证据表明宇宙中的行星分布具有这种“因果”。不仅“为什么”这一问题变为“怎么会这样”的问题，而且“为什么”这个问题本身已不再具有任何可证实的含义。

同样，当我们问“为什么有物而不是空无”的时候，我们真正的意思是“怎么会有物而不是空无”，这导致我选择的措辞再次引发争议。有许多事实似乎是大自然所创造的“奇迹”，所以显得如此“不证自明”，以致许多人放弃解释我们如何出现，而将它完全归因于上帝。但是我真正关心的问题，是科学可以解决的问题，是宇宙中所有的“物”是怎样从“无”的状态演变而来，你也可以将其理解为无形如何产生了有形。这是一件惊世骇俗的事。它打破了我们对世界的认知，尤其是有悖于各种形式的能量（包括质量）都是守恒的这一事实。常识告诉我们，“空无”从“无物”这个角度上说，总能量应该为零。那么，可观测宇宙中的约4 000亿个星系又从何而来？

为了让“常识”符合我们对自然的理解，我们需要修正“常识”本身。对我来说，这是科学最显著的特点和最自由的一面。对真实世界的深入了解使我们摒弃了在进化过程中产生的偏见和误解。我们的智力进化自我们的祖先，但我们祖先的生死存亡取决于对捕食者是否潜伏在树丛后面或洞穴之中的判断，而不是对原子中电子波函数的理解。

当代的宇宙概念对我们来说太新颖太陌生，甚至对于一个世纪前的科学家而言都是如此。这是对科学方法的力量和人类创造力与毅力的颂扬，非常值得庆祝。正如我在这本书中所描述的那样，“万物如何无中生有”这个问题和可能的答案比星系如何从真空中出现更有趣。科学为空间和时间的产生提供了可能的路线图，也许还为理解那些主宰时空变换的物理规律是如何意外诞生的提供了指引。

然而，对于许多人来说，即使知道这些古老问题的答案已经呼之欲出仍显不足，因为关于空无的更深层次的问题占据了他们的思想。例如我们能否得知，绝对的空无，杜绝了任何事物出现的空无，是否就是因果的尽头？或者是否可以说，能造物的空无或许仍仅是另外某些“物”的一部分，而我们，或任何其他形式的存在，也总是暗含其中？

在这本书中，我没有认真探讨这些方面，因为我不认为它们能为下面这个更有意义的话题添砖加瓦：“通过探索宇宙我们可以回答哪些问题？”我不去考虑这些哲学层面的问题，并不是因为我认为投身于回答这些问题的人没有在努力定义正确的问题。相反，我忽略它们，是因为我认为它绕过了一些可以回答的物理问题。而这些与宇宙起源和演化有关的问题才是真正有趣的。毫无疑问，有人会认为这个有趣是我自己定义的，也许的确如此。但是，也正因如此，人们才更应该阅读这本书。在这本书中，我没有回答任何科学无法回答的问题。并且，我在定义“空无”和“有物”时措辞非常谨慎。如果这些定义不合你意，我也无能为力，请撰写一本属于你自己的书。但不要只因为现代科学不能慰藉你的心，就贬低这些卓越的人类探险。

现在，好消息来了！在刚过去的夏天，包括我在内的世界各地的物理学家，在一段特别反常的时间，把自己“粘”在电脑前，一同观看科学家们操作日内瓦大型强子对撞机，并直播宣布他们发现了自然拼图中缺失的最重要碎片之一——希格斯玻色子。

希格斯玻色子是在约50年前提出的。它的提出是为了使粒子物理学的理论预测和实验观测之间能够保持一致。希格斯玻色子的发现是人类历史上最令人瞩目的智力探险之一。这一发现是任何对科学进步感兴趣的人都应该知道的，它也使这本书的主题更加非凡。这一发现进一步证明了我们能感知的宇宙只是一个巨大的、主体被隐藏起来的宇宙的冰山一角，看似空无的空间为我们的存在种下了种子。

希格斯玻色子的预测伴随着一场重要的革命，它彻底改变了20世纪后半叶我们对粒子物理学的理解。就在50年前，尽管在前半个世纪物理学取得了巨大进步，我们却只搞懂了自然界四种基本力之一的电磁力如何与量子理论保持一致。然而，在接下来的10年中，不仅四种已知力的其中三种都被我们调查清楚了，我们还发现了自然界有一种新的优雅的统一。我们发现，所有已知的力都可以用一个统一的数学框架来描述，而且其中两个力——电磁力和弱相互作用力（这种力主导了为太阳提供能源的核反应）实际上是同一种基本力的不同表现形式。

两种区别如此之大的力是如何相互关联的？毕竟，传递电磁力的光子没有质量，而传递弱相互作用力的粒子质量却非常大，大约是构成原子核的粒子的100倍，这也是弱相互作用力很小的原因。

英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）和其他几位科学家证明，如果整个空间中存在渗透其中的不可见的背景场，即希格斯场，那么可以传递如电磁力这样的力的粒子就可以与这个场相互作用，就像在糖浆中游泳一样，它们的运动会因阻力而减速。结果就是，这些粒子表现得好像它们很重一样，也就是说表现得就好像它们质量很大一样。物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）和之后进入这一领域的阿卜杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）将这一想法应用于谢尔登·格拉肖（Sheldon L. Glashow）之前提出的弱电和电磁力模型，结果所有的一切都相互吻合了。

这个想法可以扩展到自然界中的其他粒子，包括构成质子和中子的粒子以及像电子这样的基本粒子，而所有这些粒子又组合起来构成了原子。如果一些粒子与这个背景场发生更强烈的相互作用，那么它最终会显得更重。如果它们的相互作用较弱，它则会显得更轻。如果它们根本没有相互作用，就像光子，它仍然是无质量的。

如果有什么事情听起来让人觉得好得难以置信，那么这就是一个例子。质量的奇迹实际上就是我们存在的奇迹，因为如果没有希格斯玻色子，就不会有星星，不会有行星，也不会有人。本来隐藏着的背景场似乎就是为了让世界成为它现在的样子。

但依靠无形的奇迹属于宗教的范畴，而不是科学的内容。为了确定这一发现是否属实，物理学家必须依赖量子世界的一个特点。与每个背景场相关联的都是一种粒子。如果你在空间中选择一个点，并且用足够大的力去撞击它，就有可能将真实的粒子敲击出来。诀窍就在于要在足够小的体积上用足够大的力去撞击，而这就是症结所在。经过50年的尝试，包括美国最后没有成功实现的加速器在内，所有加速撞击的尝试都没有发现希格斯玻色子的踪迹。我当时打赌人们根本不会成功，因为作为一名理论物理学家，职业直觉告诉我，大自然的想象力通常会比人类更为丰富多彩。

直到2012年7月。

希格斯玻色子的发现可能不会帮助我们发明更好的烤面包机或更快的汽车。但人类对它的发现却彻底展现了人类用自己的思想和技术去理解、控制自然的能力，可歌可泣。在那看似空无的空间中就隐藏着成就我们存在的最基本的元素。

希格斯玻色子的发现进一步证实了我在这本书中谈及的许多想法。宇宙早期经历了一个超光速膨胀期，称为暴胀。在此期间基本上是从无中生有，产生了可观测宇宙中几乎所有的空间和物质。这一想法在很大程度上依赖于另一个场，和我们在过去发现的希格斯场非常相似，是在早期短暂起主导作用的场。

今天，渗透在所有空间的希格斯场的存在也引出了几个重要的问题：“宇宙早期什么样的条件导致了这样的一个宇宙意外？”“为什么这个场有着我们所测量到的量值呢？”“它可能会与众不同吗？”“如果初始条件稍微有一点偏差，物理规律会不会造就一个与我们今天所观测到的物质宇宙迥异的宇宙？”这些也正是我在本书接近尾声时所要讨论的那类问题。

无论这些谜题以及我将在本书中讨论的其他谜题的最终答案如何，过去40多年来，我们在基础物理学和天文学方面的发现都以深刻的方式改变了我们对于自己在宇宙中所处位置的认识。它们不仅改变了我们提出的问题，也改变了我们提出的问题的具体含义。这也许是现代科学最伟大的遗产，与伟大的音乐、伟大的文学作品和伟大的艺术一样，也需要被大众更加广泛地分享。