關於宇宙學中奇點問題與真空態性質的哲學探討

06-01

內容提要：在當代宇宙學中，奇點問題與真空態性質的準確描述，是宇宙創生及未來演化圖景理論所必須解決的問題。這兩個問題相互關聯，其所蘊舍的哲學意義亦十分重要。本文試圖通過對中國古代道家「無」與佛家「空」兩大哲學範疇本來含義的發掘、闡釋，及對奇點問題和真空性質的物理描述，證明所謂的「無」（真空）並非絕對的虛無，而是物質能量的目前人們還不太清楚的另外一種存在形式，從而在中國古代宇宙觀的背景下，為徹底解決奇點問題與真空態性質問題提供一個思路。

關鍵字：宇宙學　中國古代宇宙哲學　大爆炸及暴脹宇宙模型　奇點　真空態

人類對宇宙探索的腳步可以說是亘古綿長的。由於全部宇宙的真相對於每一歷史時期人們認識的能力與條件來講是如此玄遠，為了在不可能中實現可能，從古代起，人們對宇宙的探索就有著兩條看來很不相同的道路，即哲人式的了悟與洞察，及實際觀測事實的逐步積累與深化。前者是東方智慧的結晶，後者是西方文化特別是自然科學傳統的驕傲。兩者均達到各自的高度，並在當代宇宙學的背景下走向新的會合與溝通。值得注意的是，當代西方科學界的一些有識之士，在他們積累著越來越多同時又難以完全理解的事實和理論說明時，非常希望在更為深沉的東方哲學，而非現有的西方哲學流派中找到現代科學的基石和哲學背景。他們看到，在20世紀，物理學經歷了幾次概念革命，清楚地揭示出力學的世界圖景的局限性，並導出有機的、生態的世界圖景，而這一新的圖景與東方古代哲學家所早已描繪的世界圖景極為相似。他們指出：「現代物理學的主要理論所導致的世界觀與東方神秘主義有著內在的統一和完美的協調」[1]。而「越來越多的科學家意識到，神秘主義的思想為當代科學的理論提供了一個一致的和恰當的哲學背景」[2]。這是以卡普拉《物理學之道》為代表的不少著述中所反覆闡明的觀點。

　　愛因斯坦講過：「如果把哲學理解為在最普遍和最廣泛的形式中對知識的追求，那麼，顯然，哲學就可以被認為是全部科學研究之母」[3]。對宇宙學的研究也不例外，事實上，古今中外的哲學家關於宇宙演化的哲學探索所包含的真知灼見，對於推動現代宇宙論的發展是十分有益的。

宇宙的兩端：奇點與「無（the nothing）」

中國古代被稱為六經之首的《易經》中常有一些關於六十四個卦象順序排列的說明，頗有深意。比如《先天六十四卦圓圖》十分形象地描畫出一幅自然界萬事萬物生死相繼、循環遞推的客觀規律，即所謂「元元周復始，變應與時偕。」《易經》在中國古代一直被當作對自然界和社會的總原理性的說明，如《易傳·繫辭上》中就認為：「易與天地准，固能彌綸天地之道。仰以觀於天文，俯以察於地理，是故知幽明之故。原始反終，故知死生之說。」《易》哲學中關於宇宙有生有滅的思想，一直強烈地影響了中國幾千年，如宋代的易學大師邵雍在《皇極經世·觀物外篇》中就認為：「易之數，窮天地始終。或曰：天地亦有始終乎？曰：既有消長，豈無始終。」這是中國古代認為我們的宇宙遵循一定的物理規律且有生亦有滅的一種典型態度。

在自然科學中，最先明確提出我們的宇宙有一個自然生成的歷史，當推大爆炸宇宙模型。它是1948年美國物理學家伽莫夫在勒梅特宇宙膨脹論的基礎上，經過進一步的修正與發展，運用基本粒子物理學的知識，將宇宙起源和化學元素的起源聯繫在一起而正式提出的。這一宇宙模型對宇宙演化的描述從其最初創生瞬間的百分之一秒開始，對於宇宙中直到今天的各種物質要素如基本粒子、化學元素及星系的形成均有著很好的說明。這一學說得到了大量觀測事實的支持，其中包括星系紅移、氦丰度等，特別是3K宇宙背景輻射的發現，說服了大多數科學家，並稱其為標準宇宙模型。

隨著大爆炸宇宙模型帶來的成功，認為我們所處的這個宇宙是有生有滅的，有其產生與消亡的歷史，看來是不會再有什麼太大的疑慮了。但也仍然留下了一些難解的問題，其中包括：奇點問題、平直問題、均勻性和星系問題、時空維數問題等。八十年代以來，隨著物理學領域中關於粒子間相互作用理論的突出進展，導致在宇宙學中建立起多個暴脹宇宙模型，將研究引入到宇宙年齡約為10^-36的宇宙極早期，把宇宙學研究推向一個新的階段。其中由林德等建立的混沌暴脹模型最為成功，被認為能夠解決除奇點問題以外的其他全部難題。然而，由於奇點問題在物理學中實際上就是宇宙中一切物質現象的根本來源問題，同時它又直接對應著宇宙的最終歸宿問題。因而目前宇宙學的真正難題在於：我們的宇宙來自何處又去往何方？即它是如何產生，又將以怎樣的方式走向它的終結。

作為對這個問題的前半部分的回答，宇宙常被說成是起源於一個奇點。其實這差不多只是一個純數學式的回答，它除了說明宇宙在創生瞬間和在此之前的狀態為我們目前的物理學知識所望塵莫及之外，很難說有什麼更多的物理意義。量子力學大師尼爾斯·玻爾曾說過，對自然界所進行的研究僅僅找到它的數學上的描述是不夠的，重要的是深刻理解其中的物理內涵。著名物理學家惠勒指出，我們目前所了解到的支配自然的那些規律並非是一成不變的，在高溫時，化學價的概念是超驗的；而對於封閉宇宙來說，能量、電荷、角動量守恆定律是沒有意義的；在黑洞物理中，粒子數守恆是超驗的；而在未來，隨著引力塌縮，每個物理定律的框架都失去了。暴脹宇宙論對奇點問題所作出的典型解釋是：「全部可觀測宇宙（10²⁸cm）起源於一個尺寸為普朗克常數（1O^-33cm）的區間，所以根據測不準原理，它可能創生於一個量子的漲落。」[4]奇點問題得到了科學界普遍的關注，許多人都認為它是當代科學中最大的疑難之一，而它的解決要求助於前幾何物理學和量子宇宙學的進一步發展。

根據弗里德曼模型，宇宙因其平均密度大於或小於等於某一臨界值，而有封閉的或開放的「兩種非常不同的型式」，[5]並分別有著收縮及膨脹兩種不同的完結方式。目前的一些最為知名的宇宙學家，如霍金、林德等人，由於寄希望於新的宇宙物質（如中微子靜止質量和宇宙暗物質）的發現，而傾向於支持我們的宇宙是封閉的觀點。但另一方面，開放的宇宙的可能性依然極大，這一切都取決於進一步的觀測。

如果宇宙是封閉的，引力場最終將遏制宇宙的膨脹，它將被重新壓縮至極大的密度。換句話說，宇宙來自於奇點又復歸於奇點。溫伯格指出：如果宇宙密度是臨界值的兩倍，而且現在的哈勃常數公認值（每秒每百萬光年15公里）是正確的話，那麼現在宇宙的年齡是一百億年，它還會繼續膨脹五百億年，然後便開始逐漸加速的收縮。而這時的收縮就「恰好」是膨脹的逆過程，五百億年以後宇宙又重新回復到它現在的大小，然後再過一百億年，它又回到了一個無限密集的奇異狀態。這也就是菲爾地等人所說的：在未來的「某一個日子的某一個確定時刻，宇宙將被壓縮到一個奇點並且告終。」[6]林德則說得更為明白：「我們這個膨脹開來的區域（以及所有其它與之相同的區域）在經歷了漫漫無盡的時代之後，最終肯定還會在引力的牽引下塌縮成為一個奇點，同時再一次地蹤跡全無，而進入到存在於創生瞬間『之前的』那個無（the nothing）。」[7]

如果宇宙是開放的，它將會永遠繼續膨脹下去，雖然其膨脹速度會越來越慢。其完結的方式雖與閉宇宙有所不同，但最終的結局也仍將是「無」的狀態。我們知道，宇宙的基本單元是星系，而星系主要是由恆星組成的。按照目前宇宙學的一般觀念，只要經過足夠長的時間，星系中的一切恆星都會死亡，成為死星，也即達到白矮星、中子星或黑洞這些最後的狀態。這樣，在約一萬億年之內，星系將由死星和冷的星際物質組成，這種星際物質以行星、小行星和更小塊的物質形式存在，它們由於引力的相互吸引而仍然集合在一起。當然，各種各樣星系將繼續相互遠離，所以星系之間的平均距離要比現在大得多。在宇宙年齡為10¹⁷年時，由於恆星的相互碰撞，所有的行星都將被撞出恆星的引力範圍，在冰冷的宇宙空間遊盪。大約在10¹⁸年至10²⁷年，99％的死星以這種方式從星系中噴出，餘下的百分之一的死星將形成一個非常稠密的核心，最後凝聚成一個星系級黑洞。在宇宙年齡為10³²年以後，宇宙中所有質子都要衰變完，這時宇宙中只有光子、中微子、電子、正電子和大量黑洞。其它的物質形式都不存在了，生命也包括在內。宇宙將繼續膨脹，物質密度將越來越稀薄，而宇宙中的黑洞將不斷蒸發，小的蒸發快，大質量的蒸發慢，「事實上，星系級黑洞將在大約10⁹⁰年內完全蒸發。一個超星系級黑洞，即由巨大星系團坍縮形成的黑洞，也將在10¹⁰⁰年內完全蒸發。因此，在大約10¹⁰⁰年內，一切黑洞都將消失，而宇宙中的一切星系都將完全瓦解。」[8]從此，宇宙中將逐漸成為只有由幾種粒子組成的稀薄氣體，而且還越來越稀薄。這樣，雖然與閉宇宙所走的道路不同，開放的宇宙依然漸漸進入「空無」的狀態。對此，宋代的理學奠基人之一的程顥曾有過類似的推斷，他說：「凡物之散，其氣遂盡，無復歸本之理。天地如洪爐，雖生物，銷鑠亦盡，況既散之氣，豈有復再？天地造化，又焉用此既散之氣。其造化者，自是生氣。」[9]

「無」到底是什麼

一切產生出來的東西，都一定要滅亡。事情正是如此，如前所述的科學研究表明，我們的宇宙在經歷了自創生及發展演化的歷史之後，將會以一種鐵的必然性走向其衰亡與消失，即宇宙有生於無，又歸於無。這與中國古代宇宙論的基本觀點達成了驚人的契合。然而，這裡所說的「無」到底是什麼，以及如何對宇宙創生之前及完結以後所處「空無」的真實狀態予以恰如其分的界定，卻是一個甚為棘手的問題。我們看到，在宇宙學研究領域裡，一些人僅僅從數學的推導入手，在沒有深入理解其物理內涵的時候便給出一些過於簡單化的結論，比如：「無」就是絕對的無，就是虛無，這卻是讓人難以接受的。

從前面所引程顥的話中可以看出，中國古代的宇宙論學者並未把宇宙的「無」視作絕對的空無。在這個問題上，中國古代佛、道兩家有著更為精闢的見地。在《莊子》這部著作中，莊子（或其後學）把宇宙「空無」的狀態稱作「無有」，而這個「無有」是既不能簡單地說成是有，也不能簡單地說成是無，而是這兩者的統一。他說：「有實而無乎處者，宇也；由長而無本剽者，宙也。有乎生，有乎死；有乎出，有乎入。入出而無見其形，是為天門。天門者，無有也，萬物出乎無有。有不能以有為有，必出乎無有，而無有一無、有。」[10]佛家則在更為廣闊的時空中討論這個問題。佛家認為，佛的國土（即大千世界，也即相當於宇宙島的概念）是在數量上無有窮盡的，而每一佛土都有其成劫、住劫、壞劫、空劫四個階段，這裡的劫是一個時間的量度。劫有小劫、中劫和大劫之分，成、住、壞、空四劫是屬於中劫，這四個中劫合在一起構成一個大劫。有人曾經作過粗略的計算，大約一千六百萬年為一小劫，三十二億年為一中劫，一百二十八億年為一大劫。[11]佛教認為，一切世界都會經過生成毀滅這樣幾個階段，最後進入到空劫的階段。在空劫中「中空無世界，及諸有情也」[12]，即任何有形的物質性存在都沒有了。但十分重要的是，佛家並不認為空劫階段處於絕對的空虛。在《華嚴原人論》這篇重要的哲學論著中，唐代的佛學大師宗密特別指出：「空界劫中是道教指雲虛無之道，然道體寂照靈通，不是虛無。」這樣一些古老的見解，在今天實證科學的背景下終於被賦予了新的確定的意義。

某些聲稱宇宙產生於「絕對的空無」的人常常從老子的《道德經》中尋找哲學的依據，其實這根本是站不住腳的。我們知道，老子是我國古代哲學史上第一個用「有」和「無」這對範疇來說明宇宙構成本原的哲學家。「道」作為老子哲學的最高範疇，具有「有」與「無」的兩種性質。他認為「無「是宇宙萬物的根源，是一切的「有」賴以存在的基礎。《道德經》中指出：「無名天地之始，有名萬物之母。」（一章）「有物混成，先天地生。寂兮寥兮，獨立而不改，周行而不殆，可以為天下母。」（二十二章）「天下萬物生於有，有生於無。」（四十章）就是說，作為潛在的有的「無」，是在一切顯在的有之前便存在著的，隨著天地間的循環周行，它獨立不變，是最為基本的物質能量存在形式。老子還特彆強調「無」是一種客觀的實在，他說：「道之為物，惟恍惟惚。惚兮恍兮，其中有象，恍兮惚兮，其中有物，窈兮冥兮，其中有精。其精甚真，其中有信。」（二十一章）對於「無」的性質及作用，老子多處用隱喻的方式的加以說明，比如他用橐籥的運作來表徵「無」與天地萬物的關係：「天地之間，其猶橐籥乎？虛而不屈，動而愈出。」（五章）在老子看來，「無」是萬物的源頭與歸宿，它無窮無盡，亘古常在，具有巨大的潛在的能量，而這種無比巨大的能量的表現則是「綿綿若存，用之不勤」（六章）的。因此，從物理學的角度來看，老子所說的「無」，絕不是什麼虛無，它與作為物質能量的顯在形式的「有」相對應，可以說是另一種處於潛伏狀態下的「有」。或許還可以這樣說，這裡所謂的「無」其實是物質能量目前尚未為人所熟知的另外一種存在形式。

宇宙之源：真空

在宇宙學研究領域受到普遍關注的「無（the nothing）」，其在物理學中最為相近的對應概念便是「真空」。如有人曾撰文指出：「老子以道作為其出發點，將『有』與『無』統一起來了，其中『無』是一種無形的客觀存在，而不是絕對的虛無，因此老子的『無』就是量子場論中的『真空』。」同時還認為：「古人的『無』或『虛空』的概念就是現代物理學的『真空』的概念。」[13]應該認為，這樣的結論是在詳細論證的基礎上得出的，因而是可以值得我們重視的。

我們知道，對於真空的性質的認識，是有其發展的歷史的。本世紀20年代狄拉克等人提出真空理論，並得到實驗確證。從經典力學的角度來看，真空沒有物質的觀點是可以接受的。但現代物理學中的量子場論則認為，真空是量子場的基態，它具有物質性、實在性和多樣性，在真空中具有「零點振蕩」和「真空漲落」，真空漲落是由海森伯測不準原理支配的，這已為處於0K的電子隨機布朗運動及氫原子光譜的蘭姆（Lamb）位移等所證實。因此關於真空的性質，現代物理學所告訴我們的是：真空並非真正一無所有，不是一種既無物質，又無能量的狀態，而是指沒有任何實物粒子，其場的總能量處於最低的一種物質狀態。真空具有各種屬性，如真空起伏、真空極化、真空相變，還可以通過激發造成對稱性破缺，產生出實物粒子。因此真空不空，它只能是物質能量的一種特殊形態。的確，對於這樣一種物質的特殊形態，叫它做「真空」也好，「無」也好，並沒有什麼太大的關係，重要的是要認識到，這裡的「無」作為對「有」的否定，並非意味著抽象的一無所有，實際上它是一種實實在在的客觀存在，具有鮮明的物質的屬性，它是一切物質運動及能量場的「基態」，具有無限變化的潛在能力。而我們的宇宙正是在真空這一概念所界定的狀態（「無」）中創生的，並最終還會回到這一狀態下，直到下一個創生期的起始。

關於宇宙生於無，並歸結於無，目前世界已有許多知名物理學家進一步給出物理學意義上的解說。如帕特豪夫（H.Puthoff）等人認為，一些大膽的新物理學基於虛無空間漲落，可能把自然界的力統一起來，從而揭示了量子理論的機理和宇宙的出處。他們認為：「根據量子理論，真空（物理粒子之間的空隙和星際空間）事實上是不空的，它充滿著漲落著的巨大能量。」「實際上，這種漲落又可強烈到足以在真空中自發地引出粒子，只要在違反測不準原理之前，它們再次消失。」[14]這些物理家們認為，零點能是真空能量不可預測的隨機波動的結果，這正是測不準原理所預言的，而在經典物理學中它只不過是個零。研究結果還表明，電磁場中任何特殊模式的零點能是微小的，而傳播的可能模式（方向和頻率）卻近乎無限多。因此對所有可能模式的零點能積分，將會得到一個十分巨大的值。帕特豪夫指出：「簡直難以相信，其能量密度竟大於原子核的能量密度，而這就是我們周圍所謂的『虛無』空間。」他還進一步指出：「物質本身的穩定，看來正是依賴於包圍它們的零點能海洋。」[15]

由此可見，在常規物理學中，我們實際上是把真空態置為能量的坐標零點，這種處理方法應該說本身只有相對的意義，雖然其在常規物理學的應用中是實際有效的和必要的。但是我們不能因此把零點能與其它形式的能量對立起來，使之絕對化，而僅看作是絕對的空無。目前對真空性質的研究已清楚地表明，那種認為零點能或真空中沒有任何能量的觀點是根本錯誤的。正象老子《道德經》所形容的那樣：「穀神不死，是謂玄牝。玄牝之門，是謂天地根。綿綿若存，用之不勤。」（六章）事實上，真空中存在著巨大的能量漲落，與宇宙中其它顯在的能量形式相比，其所蘊涵的巨大能量超出了以往物理學的常規框架。可以這樣說：宇宙中一切我們所已知的顯在的物質與能量的存在形式都只不過是露出水面冰山的尖頂，這個小小的尖頂的存在只不過是預示著，它的更大的難以預知的部分都浸泡在「無」的巨大能量海洋之中而若隱若現。明白了這一點，那麼理解宇宙創生的能量來源問題就不會有什麼太大的困難了。

在中國古代哲學中，生生不息，一直被視為宇宙演化發展的根本原則。如作為六經之首的《周易》就指出：「生生之謂易」[16]。它的依次排列，循環遞推的六十四卦陣團更是對宇宙演化大循環運作圖象的一個形象的闡發。一百多年前，恩格斯也曾經指出：「一個宇宙系統」有其「從產生到消滅中一個跟一個發生的變化的歷史。」[17]他還說：「無限時間內宇宙的永遠重複的連續更替，不過是無限空間的無數宇宙同時並存的邏輯的補充」，並認為「這是物質運動的一個永恆的循環。」[18]就象恩格斯天才預見到的那樣，現代宇宙學正在證明，在更為玄深廣闊的宇宙背景下，每一宇宙系統由於其自身的原因，而不斷經歷著否定之否定的產生與消亡的歷史過程。它亘古無期，玄遠無盡，周而復始又生生不息，綿延著，演進著，發展著。

[1]《現代物理學與東方神秘主義》，四川人民出版社，1984年，第239頁。

[2]卡普拉《轉折點》，四川科學技術出版社，1988年，第61頁。

[3]《愛因斯坦文集》第1卷，商務印書館，1976年，第519頁。

[4] A·林德《宇宙：始自混沌的暴脹》，《新科學家》，1985年5月7日。

[5]溫伯格《最初三分鐘》，科學出版社，1989年，第24頁。

[6]菲爾地等《宇宙演化——天文學入門》，科學出版社，1985年，第466頁。

[7] A·林德《宇宙：始自混沌的暴脹》，《新科學家》，1985年5月7日。

[8]伊斯拉姆《宇宙的結局》，科學出版社，1988年，第4頁。

[9]程顥《遺書》卷十五

[10]《莊子·雜篇·庚桑楚》

[11]方立天《佛教哲學》，中國人民大學出版社，1986年，第151頁。

[12]宗密《華嚴原人論》

[13]孫顯耀、吳國林《宇宙創生新探索》，《自然辯證法研究》，1992年第1期。

[14] H·帕特豪夫《萬物歸於無》，《新科學家》，1990年7月28日。

[15]同前

[16]《周易·繫辭上》

[17]恩格斯《自然辯證法》，人民出版社，1971年，第217頁。

[18]同上，第23頁。

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