信息来源：https://bigthink.com/starts-with-a-bang/something-instead-of-nothing/

或许宇宙最令人惊奇的事实就是它本身以及其中的一切事物都存在。但其原因是什么呢？

在我们所在的宇宙中，我们可以从空间的一个区域移除所有物质和能量量子。但即使是这种物理上的“虚无”状态，仍然具有某种属性，让我们在某种意义上感觉它“存在”了。

如果你从根本上思考宇宙，或许最令人惊叹的事实就是它的存在本身。然而，它不仅存在，而且其中还包含物质，这些物质在任何地方、任何时间都遵循相同的规律，并根据支配现实的物理定律进行组合，创造出（除其他外）万物：

• 原子核，
• 中性原子
• 分子，
• 恒星和行星，
• 星系，
• 以及一个大规模的宇宙网。

不仅如此，在这个宇宙中至少有一个相对不起眼的角落，大约 45 亿年前出现了一颗行星，生命在那里生存和繁荣发展，最终孕育出一个有智慧、有自我意识的物种，能够对他们所居住的宇宙提出深刻的问题。

这样做，我们也是在提出一些关于我们自身的根本性、深刻的问题，因为我们和宇宙中任何其他无生命物体一样，都是这个宇宙的一部分。正是这一点促使史蒂夫·科顿写信来，提出了一个最深刻的问题：

“我一直很疑惑，为什么会有万物存在而不是虚无？我读过一些不同宇宙学家的著作，也很好奇您对此有何解释。期待您能给出合理的解释！正如卡尔·萨根所说：‘非凡的论断需要非凡的证据！’”

很遗憾，这个问题科学目前不仅没有令人满意的答案，而且可能永远也无法找到答案。尽管关于这个问题我们有很多话要说，但由于科学事业本身的性质，我们面临着根本性的局限性。原因如下。

宇宙浩瀚无垠、丰富多彩、引人入胜，充满了各种形式的物质和能量，它们在时空舞台上按照物理定律演化。哈勃太空望远镜拍摄的星系团IDCS J1426.5+3508的图像便是最好的例证。虽然这无疑是宇宙中“某种事物”存在的例证，但“虚无”是否真的能够物理存在，或者它是否仅仅局限于哲学范畴，仍然是一个值得探讨的问题。

图片来源：NASA、ESA 和 M. Brodwin（密苏里大学）

我们怎么会来到这里？

“为什么”的问题和“如何”的问题之间存在着巨大的差异。科学很难回答“为什么”的问题，而“如何”的问题正是科学的精髓所在。如果我们问“我们为什么存在”，科学无法解答这个问题：我们无法提出可检验的假设，也无法推导出我们可以测量哪些指标来回答这个问题。即使我们确定了现实遵循的基本规律，我们能从中推导出的东西也是有限的：我们可以推导出由这些规律和某些初始条件产生的物理结果，但我们无法运用科学工具推导出这些结果背后的任何目的。

另一方面，关于我们“如何”来到这里的这个问题，科学几乎可以告诉我们一切。特别是如果我们已经完成了理解科学规律的艰苦工作，从地球上发生的生物、地质和大气演化，到太空和地球不同环境中发生的化学演化，再到恒星内部和大爆炸熔炉中发生的粒子演化，我们就可以把这些碎片拼凑起来，从而精确地理解这个宇宙是如何孕育出我们的太阳系、我们的星球、生命的起源，以及在大约40亿年后，甚至孕育出完整的人类。

在欧洲南方天文台一系列望远镜的穹顶之下，银河高耸于南方的夜空，右侧是大小麦哲伦星云。尽管数千颗恒星和银河系平面都清晰可见，但肉眼通常只能观测到银河系之外的四个星系。直到20世纪20年代，也就是爱因斯坦的广义相对论取代牛顿引力之后，我们才知道它们位于银河系之外。如今，这番景象让我们更加深刻地体会到宇宙及其故事带给我们的敬畏与惊奇。

信用：ESO/Z。博达 (www.bardon.cz)/ProjectSoft (www.projectsoft.cz)

尽管关于我们如何变成现在这样的故事，在确凿的知识方面仍然存在一些空白，但随着我们积累越来越多的知识，这些空白正在不断缩小：

• 支配宇宙的法则和规则
• 地球上过去和现在发生的各种现象，
• 在相似的初始条件下，宇宙其他地方可能会出现或曾经出现各种各样的结果。

我们仍然不知道生命究竟是如何从非生命物质中起源的，也不知道太阳系过去究竟存在过多少颗行星，以及这些行星在某个时期是如何被摧毁或抛射出去的，也不知道太阳诞生之前究竟存在过哪些恒星，才使得太阳能够以其诞生之初所具备的特性形成。

如果我们退后一步，从更宏观的宇宙视角来看待问题，就会发现，尽管我们对一些引人入胜的细节有着深刻的理解，但仍然存在一些空白：我们知道宇宙过去必然在某个时刻以某种方式发生过某些事情，但它们的具体细节——它们“如何”发生的具体情况——对我们来说仍然是个谜。这些宇宙未知之谜，正是当今理论物理学和天体物理学领域最棘手的问题之一。

这张黄石国家公园大棱镜温泉的航拍照片，展现了世界上最具标志性的陆地地热景观之一。温泉的色彩源于生活在这些极端环境下的各种生物，并取决于照射到温泉不同区域的阳光量。像这样的地热区是早期地球上生命起源的最佳候选地点之一，也可能是许多系外行星上生命繁衍的家园。

图片来源：吉姆·皮科/国家公园管理局

已知信息

这并非要贬低我们实际掌握的知识，这或许是整个人类文明最伟大的成就。我们向宇宙提出了如此多关于自身及其运行方式的问题，这本身就揭示了海量的信息。

从生物学角度来看，我们理解性状的遗传以及突变和选择所起的作用，这最终导致了我们通常所说的达尔文进化论。我们明白达尔文进化论并非一条基本定律，而是遗传是由遗传学驱动的，而遗传学是由格雷戈尔·孟德尔进一步发展的。孟德尔遗传学虽然极其重要，但它本身也是由詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克和罗莎琳德·富兰克林发现的、记录在每种植物、动物和真菌DNA中的遗传密码的结果。

但DNA其实就是一种分子：它是由原子通过一系列化学（和生物化学）反应组装和合成的。而化学反应不过是原子、分子（以及离子）在具有温度或能量梯度的环境中发生反应的结果：这当然是一个复杂的过程，但其相互作用和反应可以在基本层面上得到理解。

在恒星形成区发现复杂的碳基分子固然有趣，但这并非人类活动所必需。图中展示了乙醇醛（一种简单的糖类）在星际气体云中的位置，该位置与其探测到的位置相对应：偏离了目前恒星形成速度最快的区域。星际分子十分常见，其中许多分子结构复杂且具有长链。

图片来源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L。 Calçada (ESO) 和 NASA/JPL-Caltech/WISE 团队

我们还可以追溯得更远：回到构成所有分子的原子起源。在每颗恒星的核心，轻元素通过极其剧烈的核反应聚变成重元素。在像太阳这样的恒星中，氢通过链式反应聚变成氦，而碳、氮和氧也扮演着重要（但并非主导）的角色。在演化程度更高的恒星中，氦聚变成碳；而在质量非常大的恒星中，氖、氧、镁、硅、硫、氩和钙等元素也通过链式反应产生，最终形成所有元素中最稳定的元素：铁、钴和镍。

当质量最大的恒星死亡时，它们会以灾难性的核心坍缩超新星爆发的方式结束生命，通常会产生元素周期表上从第40号元素锆到第40号元素的丰富元素，但除此之外的元素就很少了。（类似太阳的恒星在其最后的巨星阶段，会处理先前存在的原子核，从而产生从第38号元素锶到第83号元素铋的少量元素。）

恒星死亡后，通常会留下白矮星、中子星和黑洞等残骸。当两颗白矮星合并时，会产生一种特殊的超新星（Ia型超新星），这种超新星也会产生多种元素。当中子星合并时，会产生一种被称为千新星的剧烈爆发，其中会产生大部分更重的元素。总而言之，利用现代科学，我们可以追溯元素周期表中每一种元素的起源。

这张最新的图像展示了元素周期表上每种自然元素的起源。中子星合并、白矮星碰撞和核心坍缩超新星爆发或许能让我们探索到比这张周期表所示更高的元素层级。宇宙大爆炸几乎创造了宇宙中所有的氢和氦，但几乎没有其他元素的形成。大多数元素，以某种形式，都是在恒星中形成的。

图片来源：Cmglee/维基共享资源

回到最初

事实上，这正是科学最重要的特性之一：如果你对一个物理系统理解得足够透彻，那么仅仅通过提供……

• 该系统的一组初始条件
• 再加上支配它的物理定律，

这样，我们就能计算出该系统的属性，或者至少能计算出该系统属性在未来任意时刻的概率分布。从很多方面来说，这正是科学的核心：构建我们对现实的最佳、最精确的模型，并尝试解释所有可观察和可测量的现象。

我们可以运用所有已学知识，回溯过去，了解宇宙在更早时期的模样。我们可以回到恒星形成之前，运用物理定律，探究恒星、星系和宇宙网是如何形成的。此外，我们还可以了解哪些“种子”——或者说初始条件——是宇宙结构得以形成的根本原因，也是我们后来观测到的宇宙景象出现的原因。我们甚至可以追溯到更远的过去，了解中性原子的形成（以及对宇宙微波背景辐射的预测）、原子核的形成（以及对轻元素丰度的预测）、原始中微子背景的产生（以及预测它如今留下的可观测特征），一直追溯到宇宙大爆炸，甚至更早，追溯到宇宙大爆炸之前的宇宙膨胀阶段。

宇宙膨胀期间，空间固有的量子涨落遍布整个宇宙，产生了宇宙微波背景辐射中留下的密度涨落，而这些密度涨落又反过来形成了如今宇宙中的恒星、星系和其他大尺度结构。这是我们目前对整个宇宙运行规律的最佳理解，其中膨胀先于大爆炸发生并为其奠定了基础。遗憾的是，我们只能获取宇宙视界内的信息，而这仅仅是大约138亿年前膨胀结束的同一区域的一部分。

图片来源：E. Siegel；欧洲航天局/普朗克卫星和美国能源部/美国国家航空航天局/美国国家科学基金会宇宙微波背景辐射研究跨部门工作组

未知因素

但这仍然无法解释一切。例如，我们知道，在宇宙大爆炸产生的原始汤冷却之后，物质相对于反物质略微过剩。就好像在宇宙的早期阶段，每存在5亿个反夸克，就存在5亿零一个正夸克；每存在15亿个正电子，就存在15亿零一个正电子。虽然我们了解一些普遍规律，这些规律允许我们从最初的对称状态中产生物质-反物质不对称性，但我们尚未完全揭示宇宙究竟是如何产生这种物质-反物质不对称性，从而孕育出我们存在的。

我们并不了解宇宙膨胀的许多具体细节，也不清楚它究竟是如何结束并最终形成炽热大爆炸的。我们不知道炽热大爆炸期间宇宙究竟有多“热”；我们虽然知道初始温度的上限和下限，但这两个上限和下限之间却存在着大约14个数量级的温差。我们不知道基本常数是如何获得它们现在的数值的，也不知道宇宙中为何只有四种基本力（而且似乎没有其他力）。从现象学的角度来看，我们拥有大量证据表明暗物质和暗能量的存在，但却几乎没有证据表明它们的真实本质是什么。

如果每次做出量子决策时，我们的时间线都会分裂成两个（且仅两个）可能的结果，那么总的可能性数量将以惊人的速度增长，具体取决于允许哪些结果组合以及相互作用的顺序。这些可能性无法全部容纳在我们可观测的物理宇宙中，但量子力学计算中使用的被称为希尔伯特空间的数学结构可以容纳所有这些可能性。

图片来源：E. Siegel/公共领域

更大的问题

这引出了一个几乎每个人——无论物理学家还是非物理学家——都曾问过自己的问题：事情必然会发展成现在这样吗？或者说，它们原本可以有所不同？如果我们把时间倒回到我们能够做出物理上合理描述的最早状态，也就是与我们宇宙初始条件相同的暴胀状态，我们是否还能得到一个拥有相同条件的宇宙？

• 基本常数
• 物理定律
• 热潮大爆炸，
• 粒子和反粒子的种类集合，
• 物质/反物质不对称性，
• 以及暗物质和暗能量

我们宇宙所拥有的那些东西呢？你会得到相同的结构吗，从原子到恒星再到宇宙网？相同类型的行星？相同的化学和生物学结果？

在某些情况下，我们几乎可以肯定答案是否定的。可能的结果太多，相互作用的粒子也太多，因此我们无法预期，例如，人类会在宇宙中的其他任何地方存在，或者会在一个与我们宇宙初始条件完全相同的宇宙中出现。我们宇宙的许多特性，从宇宙微波背景辐射到宇宙网，在统计意义上肯定与我们实际宇宙的特性相似，但我们确信它们不会完全相同。毕竟，众所周知，在本质上是量子化的宇宙中，物理定律并非完全决定论的。

量子场论计算的可视化结果展示了量子真空中的虚粒子（特指强相互作用）。即使在空无一物的空间中，这种真空能量也不为零。如果存在超出标准模型预测范围的额外粒子或场，它们将影响量子真空，并使许多物理量的性质偏离标准模型的预测。然而，量子色动力学（QCD）的贡献无法像电磁学那样通过微扰计算来获得。

图片来源：德里克·莱因韦伯

但是基本常数呢？物理定律本身呢？力的数量呢？允许存在的粒子和反粒子的类型呢？以及像暗物质和暗能量这样人们知之甚少的实体的性质和存在呢？

事实是：我们并不知道。我们可以假设一些物理和数学上的扩展理论来尝试解答这些问题，而在许多这样的扩展理论下，确实存在一些允许的变体。这些可能性包括：

• 额外维度，
• 大统一理论，
• 弦理论（以及其他关于量子引力的理论）
• 万物理论（弦理论是其中之一）

所有这些都使得新粒子、新相互作用和新现象得以存在，例如轻夸克、超重玻色子和质子衰变。

但更为保守的设想，即便与我们观察到的一切完全一致，也并未涵盖这些新现象，也未必允许存在不同的基本常数、新的物理定律或新的力与相互作用。这些都是科学尚未解答的重大而深刻的问题。

理论上，施温格效应指出，在足够强的电场作用下，带电粒子及其反粒子将从量子真空（即空无一物的空间）中脱离出来，成为真实存在的粒子。这一理论由朱利安·施温格于1951年提出，并在大约70年后通过一个使用量子模拟系统的桌面实验得到了验证。然而，空间是否能在没有这些电场或它们在基态所具有的能量的情况下存在，目前尚无定论。

图片来源：Matteo Ceccanti 和 Simone Cassandra

那么，为什么会有东西而不是什么都没有呢？

我们确信“某种东西”存在。我们确信，即使你移除空间某个区域内的所有粒子、反粒子、光子和量子，那片空无一物的空间依然存在。即使你远离任何质量或能量源，清除空间中所有外部的电场、磁场和引力场，并阻止任何光子或引力波进入该空间，那片“物理上的虚无”依然会存在于该区域。而且，在该区域内，有些东西是无法移除的：

• 即使在空旷的真空空间中，仍然会存在量子场。
• 即使在空无一物的空间中，物理的基本常数和基本定律依然存在。
• 该空间仍然会存在固有的“零点能量”，并且它仍然具有有限的、正的、非零的值。

就我们所知，这几乎就是我们宇宙中所能达到的最小的境界。

你或许能在脑海中想象出一种比这更“虚无”的纯粹虚无状态，但这并不代表任何物理上的真实存在。你无法设计出任何实验来创造这种状态。我们所能做的——假设我们坚持科学的范畴，而不是涉足神学、哲学或纯粹的想象领域——是，之所以存在“有”而不是“无”，是因为“无”无法与我们的宇宙相容地共存。当然，这又回到了最初的问题：为什么？对此，尽管令人沮丧，科学仍然无法给出答案。宇宙就是如此，尽管我们竭尽所能地去理解它，但在浩瀚的宇宙未知面前，我们仍然不得不保持谦卑。我唯一能给你的建议是：警惕任何声称“了解”未知事物的人。他们或许是在自欺欺人，或许不是，但你绝对不应该被他们蒙蔽。