关于宇宙学中奇点问题与真空态性质的哲学探讨

内容提要：在当代宇宙学中，奇点问题与真空态性质的准确描述，是宇宙创生及未来演化图景理论所必须解决的问题。这两个问题相互关联，其所蕴舍的哲学意义亦十分重要。本文试图通过对中国古代道家“无”与佛家“空”两大哲学范畴本来含义的发掘、阐释，及对奇点问题和真空性质的物理描述，证明所谓的“无”（真空）并非绝对的虚无，而是物质能量的目前人们还不太清楚的另外一种存在形式，从而在中国古代宇宙观的背景下，为彻底解决奇点问题与真空态性质问题提供一个思路。

关键字：宇宙学　中国古代宇宙哲学　大爆炸及暴胀宇宙模型　奇点　真空态

人类对宇宙探索的脚步可以说是亘古绵长的。由于全部宇宙的真相对于每一历史时期人们认识的能力与条件来讲是如此玄远，为了在不可能中实现可能，从古代起，人们对宇宙的探索就有着两条看来很不相同的道路，即哲人式的了悟与洞察，及实际观测事实的逐步积累与深化。前者是东方智慧的结晶，后者是西方文化特别是自然科学传统的骄傲。两者均达到各自的高度，并在当代宇宙学的背景下走向新的会合与沟通。值得注意的是，当代西方科学界的一些有识之士，在他们积累着越来越多同时又难以完全理解的事实和理论说明时，非常希望在更为深沉的东方哲学，而非现有的西方哲学流派中找到现代科学的基石和哲学背景。他们看到，在20世纪，物理学经历了几次概念革命，清楚地揭示出力学的世界图景的局限性，并导出有机的、生态的世界图景，而这一新的图景与东方古代哲学家所早已描绘的世界图景极为相似。他们指出：“现代物理学的主要理论所导致的世界观与东方神秘主义有着内在的统一和完美的协调”[1]。而“越来越多的科学家意识到，神秘主义的思想为当代科学的理论提供了一个一致的和恰当的哲学背景”[2]。这是以卡普拉《物理学之道》为代表的不少著述中所反复阐明的观点。
　　爱因斯坦讲过：“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的形式中对知识的追求，那么，显然，哲学就可以被认为是全部科学研究之母”[3]。对宇宙学的研究也不例外，事实上，古今中外的哲学家关于宇宙演化的哲学探索所包含的真知灼见，对于推动现代宇宙论的发展是十分有益的。

宇宙的两端：奇点与“无（the nothing）”

中国古代被称为六经之首的《易经》中常有一些关于六十四个卦象顺序排列的说明，颇有深意。比如《先天六十四卦圆图》十分形象地描画出一幅自然界万事万物生死相继、循环递推的客观规律，即所谓“元元周复始，变应与时偕。”《易经》在中国古代一直被当作对自然界和社会的总原理性的说明，如《易传·系辞上》中就认为：“易与天地准，固能弥纶天地之道。仰以观于天文，俯以察于地理，是故知幽明之故。原始反终，故知死生之说。”《易》哲学中关于宇宙有生有灭的思想，一直强烈地影响了中国几千年，如宋代的易学大师邵雍在《皇极经世·观物外篇》中就认为：“易之数，穷天地始终。或曰：天地亦有始终乎？曰：既有消长，岂无始终。”这是中国古代认为我们的宇宙遵循一定的物理规律且有生亦有灭的一种典型态度。

在自然科学中，最先明确提出我们的宇宙有一个自然生成的历史，当推大爆炸宇宙模型。它是1948年美国物理学家伽莫夫在勒梅特宇宙膨胀论的基础上，经过进一步的修正与发展，运用基本粒子物理学的知识，将宇宙起源和化学元素的起源联系在一起而正式提出的。这一宇宙模型对宇宙演化的描述从其最初创生瞬间的百分之一秒开始，对于宇宙中直到今天的各种物质要素如基本粒子、化学元素及星系的形成均有着很好的说明。这一学说得到了大量观测事实的支持，其中包括星系红移、氦丰度等，特别是3K宇宙背景辐射的发现，说服了大多数科学家，并称其为标准宇宙模型。

随着大爆炸宇宙模型带来的成功，认为我们所处的这个宇宙是有生有灭的，有其产生与消亡的历史，看来是不会再有什么太大的疑虑了。但也仍然留下了一些难解的问题，其中包括：奇点问题、平直问题、均匀性和星系问题、时空维数问题等。八十年代以来，随着物理学领域中关于粒子间相互作用理论的突出进展，导致在宇宙学中建立起多个暴胀宇宙模型，将研究引入到宇宙年龄约为10^-36的宇宙极早期，把宇宙学研究推向一个新的阶段。其中由林德等建立的混沌暴胀模型最为成功，被认为能够解决除奇点问题以外的其他全部难题。然而，由于奇点问题在物理学中实际上就是宇宙中一切物质现象的根本来源问题，同时它又直接对应着宇宙的最终归宿问题。因而目前宇宙学的真正难题在于：我们的宇宙来自何处又去往何方？即它是如何产生，又将以怎样的方式走向它的终结。

作为对这个问题的前半部分的回答，宇宙常被说成是起源于一个奇点。其实这差不多只是一个纯数学式的回答，它除了说明宇宙在创生瞬间和在此之前的状态为我们目前的物理学知识所望尘莫及之外，很难说有什么更多的物理意义。量子力学大师尼尔斯·玻尔曾说过，对自然界所进行的研究仅仅找到它的数学上的描述是不够的，重要的是深刻理解其中的物理内涵。著名物理学家惠勒指出，我们目前所了解到的支配自然的那些规律并非是一成不变的，在高温时，化学价的概念是超验的；而对于封闭宇宙来说，能量、电荷、角动量守恒定律是没有意义的；在黑洞物理中，粒子数守恒是超验的；而在未来，随着引力塌缩，每个物理定律的框架都失去了。暴胀宇宙论对奇点问题所作出的典型解释是：“全部可观测宇宙（10²⁸cm）起源于一个尺寸为普朗克常数（1O^-33cm）的区间，所以根据测不准原理，它可能创生于一个量子的涨落。”[4]奇点问题得到了科学界普遍的关注，许多人都认为它是当代科学中最大的疑难之一，而它的解决要求助于前几何物理学和量子宇宙学的进一步发展。

根据弗里德曼模型，宇宙因其平均密度大于或小于等于某一临界值，而有封闭的或开放的“两种非常不同的型式”，[5]并分别有着收缩及膨胀两种不同的完结方式。目前的一些最为知名的宇宙学家，如霍金、林德等人，由于寄希望于新的宇宙物质（如中微子静止质量和宇宙暗物质）的发现，而倾向于支持我们的宇宙是封闭的观点。但另一方面，开放的宇宙的可能性依然极大，这一切都取决于进一步的观测。

如果宇宙是封闭的，引力场最终将遏制宇宙的膨胀，它将被重新压缩至极大的密度。换句话说，宇宙来自于奇点又复归于奇点。温伯格指出：如果宇宙密度是临界值的两倍，而且现在的哈勃常数公认值（每秒每百万光年15公里）是正确的话，那么现在宇宙的年龄是一百亿年，它还会继续膨胀五百亿年，然后便开始逐渐加速的收缩。而这时的收缩就“恰好”是膨胀的逆过程，五百亿年以后宇宙又重新回复到它现在的大小，然后再过一百亿年，它又回到了一个无限密集的奇异状态。这也就是菲尔地等人所说的：在未来的“某一个日子的某一个确定时刻，宇宙将被压缩到一个奇点并且告终。”[6]林德则说得更为明白：“我们这个膨胀开来的区域（以及所有其它与之相同的区域）在经历了漫漫无尽的时代之后，最终肯定还会在引力的牵引下塌缩成为一个奇点，同时再一次地踪迹全无，而进入到存在于创生瞬间‘之前的’那个无（the nothing）。”[7]

如果宇宙是开放的，它将会永远继续膨胀下去，虽然其膨胀速度会越来越慢。其完结的方式虽与闭宇宙有所不同，但最终的结局也仍将是“无”的状态。我们知道，宇宙的基本单元是星系，而星系主要是由恒星组成的。按照目前宇宙学的一般观念，只要经过足够长的时间，星系中的一切恒星都会死亡，成为死星，也即达到白矮星、中子星或黑洞这些最后的状态。这样，在约一万亿年之内，星系将由死星和冷的星际物质组成，这种星际物质以行星、小行星和更小块的物质形式存在，它们由于引力的相互吸引而仍然集合在一起。当然，各种各样星系将继续相互远离，所以星系之间的平均距离要比现在大得多。在宇宙年龄为10¹⁷年时，由于恒星的相互碰撞，所有的行星都将被撞出恒星的引力范围，在冰冷的宇宙空间游荡。大约在10¹⁸年至10²⁷年，99％的死星以这种方式从星系中喷出，余下的百分之一的死星将形成一个非常稠密的核心，最后凝聚成一个星系级黑洞。在宇宙年龄为10³²年以后，宇宙中所有质子都要衰变完，这时宇宙中只有光子、中微子、电子、正电子和大量黑洞。其它的物质形式都不存在了，生命也包括在内。宇宙将继续膨胀，物质密度将越来越稀薄，而宇宙中的黑洞将不断蒸发，小的蒸发快，大质量的蒸发慢，“事实上，星系级黑洞将在大约10⁹⁰年内完全蒸发。一个超星系级黑洞，即由巨大星系团坍缩形成的黑洞，也将在10¹⁰⁰年内完全蒸发。因此，在大约10¹⁰⁰年内，一切黑洞都将消失，而宇宙中的一切星系都将完全瓦解。”[8]从此，宇宙中将逐渐成为只有由几种粒子组成的稀薄气体，而且还越来越稀薄。这样，虽然与闭宇宙所走的道路不同，开放的宇宙依然渐渐进入“空无”的状态。对此，宋代的理学奠基人之一的程颢曾有过类似的推断，他说：“凡物之散，其气遂尽，无复归本之理。天地如洪炉，虽生物，销铄亦尽，况既散之气，岂有复再？天地造化，又焉用此既散之气。其造化者，自是生气。”[9]

“无”到底是什么

一切产生出来的东西，都一定要灭亡。事情正是如此，如前所述的科学研究表明，我们的宇宙在经历了自创生及发展演化的历史之后，将会以一种铁的必然性走向其衰亡与消失，即宇宙有生于无，又归于无。这与中国古代宇宙论的基本观点达成了惊人的契合。然而，这里所说的“无”到底是什么，以及如何对宇宙创生之前及完结以后所处“空无”的真实状态予以恰如其分的界定，却是一个甚为棘手的问题。我们看到，在宇宙学研究领域里，一些人仅仅从数学的推导入手，在没有深入理解其物理内涵的时候便给出一些过于简单化的结论，比如：“无”就是绝对的无，就是虚无，这却是让人难以接受的。

从前面所引程颢的话中可以看出，中国古代的宇宙论学者并未把宇宙的“无”视作绝对的空无。在这个问题上，中国古代佛、道两家有着更为精辟的见地。在《庄子》这部著作中，庄子（或其后学）把宇宙“空无”的状态称作“无有”，而这个“无有”是既不能简单地说成是有，也不能简单地说成是无，而是这两者的统一。他说：“有实而无乎处者，宇也；由长而无本剽者，宙也。有乎生，有乎死；有乎出，有乎入。入出而无见其形，是为天门。天门者，无有也，万物出乎无有。有不能以有为有，必出乎无有，而无有一无、有。”[10]佛家则在更为广阔的时空中讨论这个问题。佛家认为，佛的国土（即大千世界，也即相当于宇宙岛的概念）是在数量上无有穷尽的，而每一佛土都有其成劫、住劫、坏劫、空劫四个阶段，这里的劫是一个时间的量度。劫有小劫、中劫和大劫之分，成、住、坏、空四劫是属于中劫，这四个中劫合在一起构成一个大劫。有人曾经作过粗略的计算，大约一千六百万年为一小劫，三十二亿年为一中劫，一百二十八亿年为一大劫。[11]佛教认为，一切世界都会经过生成毁灭这样几个阶段，最后进入到空劫的阶段。在空劫中“中空无世界，及诸有情也”[12]，即任何有形的物质性存在都没有了。但十分重要的是，佛家并不认为空劫阶段处于绝对的空虚。在《华严原人论》这篇重要的哲学论著中，唐代的佛学大师宗密特别指出：“空界劫中是道教指云虚无之道，然道体寂照灵通，不是虚无。”这样一些古老的见解，在今天实证科学的背景下终于被赋予了新的确定的意义。

某些声称宇宙产生于“绝对的空无”的人常常从老子的《道德经》中寻找哲学的依据，其实这根本是站不住脚的。我们知道，老子是我国古代哲学史上第一个用“有”和“无”这对范畴来说明宇宙构成本原的哲学家。“道”作为老子哲学的最高范畴，具有“有”与“无”的两种性质。他认为“无“是宇宙万物的根源，是一切的“有”赖以存在的基础。《道德经》中指出：“无名天地之始，有名万物之母。”（一章）“有物混成，先天地生。寂兮寥兮，独立而不改，周行而不殆，可以为天下母。”（二十二章）“天下万物生于有，有生于无。”（四十章）就是说，作为潜在的有的“无”，是在一切显在的有之前便存在着的，随着天地间的循环周行，它独立不变，是最为基本的物质能量存在形式。老子还特别强调“无”是一种客观的实在，他说：“道之为物，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）对于“无”的性质及作用，老子多处用隐喻的方式的加以说明，比如他用橐籥的运作来表征“无”与天地万物的关系：“天地之间，其犹橐籥乎？虚而不屈，动而愈出。”（五章）在老子看来，“无”是万物的源头与归宿，它无穷无尽，亘古常在，具有巨大的潜在的能量，而这种无比巨大的能量的表现则是“绵绵若存，用之不勤”（六章）的。因此，从物理学的角度来看，老子所说的“无”，绝不是什么虚无，它与作为物质能量的显在形式的“有”相对应，可以说是另一种处于潜伏状态下的“有”。或许还可以这样说，这里所谓的“无”其实是物质能量目前尚未为人所熟知的另外一种存在形式。

宇宙之源：真空

在宇宙学研究领域受到普遍关注的“无（the nothing）”，其在物理学中最为相近的对应概念便是“真空”。如有人曾撰文指出：“老子以道作为其出发点，将‘有’与‘无’统一起来了，其中‘无’是一种无形的客观存在，而不是绝对的虚无，因此老子的‘无’就是量子场论中的‘真空’。”同时还认为：“古人的‘无’或‘虚空’的概念就是现代物理学的‘真空’的概念。”[13]应该认为，这样的结论是在详细论证的基础上得出的，因而是可以值得我们重视的。

我们知道，对于真空的性质的认识，是有其发展的历史的。本世纪20年代狄拉克等人提出真空理论，并得到实验确证。从经典力学的角度来看，真空没有物质的观点是可以接受的。但现代物理学中的量子场论则认为，真空是量子场的基态，它具有物质性、实在性和多样性，在真空中具有“零点振荡”和“真空涨落”，真空涨落是由海森伯测不准原理支配的，这已为处于0K的电子随机布朗运动及氢原子光谱的兰姆（Lamb）位移等所证实。因此关于真空的性质，现代物理学所告诉我们的是：真空并非真正一无所有，不是一种既无物质，又无能量的状态，而是指没有任何实物粒子，其场的总能量处于最低的一种物质状态。真空具有各种属性，如真空起伏、真空极化、真空相变，还可以通过激发造成对称性破缺，产生出实物粒子。因此真空不空，它只能是物质能量的一种特殊形态。的确，对于这样一种物质的特殊形态，叫它做“真空”也好，“无”也好，并没有什么太大的关系，重要的是要认识到，这里的“无”作为对“有”的否定，并非意味着抽象的一无所有，实际上它是一种实实在在的客观存在，具有鲜明的物质的属性，它是一切物质运动及能量场的“基态”，具有无限变化的潜在能力。而我们的宇宙正是在真空这一概念所界定的状态（“无”）中创生的，并最终还会回到这一状态下，直到下一个创生期的起始。

关于宇宙生于无，并归结于无，目前世界已有许多知名物理学家进一步给出物理学意义上的解说。如帕特豪夫（H.Puthoff）等人认为，一些大胆的新物理学基于虚无空间涨落，可能把自然界的力统一起来，从而揭示了量子理论的机理和宇宙的出处。他们认为：“根据量子理论，真空（物理粒子之间的空隙和星际空间）事实上是不空的，它充满着涨落着的巨大能量。”“实际上，这种涨落又可强烈到足以在真空中自发地引出粒子，只要在违反测不准原理之前，它们再次消失。”[14]这些物理家们认为，零点能是真空能量不可预测的随机波动的结果，这正是测不准原理所预言的，而在经典物理学中它只不过是个零。研究结果还表明，电磁场中任何特殊模式的零点能是微小的，而传播的可能模式（方向和频率）却近乎无限多。因此对所有可能模式的零点能积分，将会得到一个十分巨大的值。帕特豪夫指出：“简直难以相信，其能量密度竟大于原子核的能量密度，而这就是我们周围所谓的‘虚无’空间。”他还进一步指出：“物质本身的稳定，看来正是依赖于包围它们的零点能海洋。”[15]

由此可见，在常规物理学中，我们实际上是把真空态置为能量的坐标零点，这种处理方法应该说本身只有相对的意义，虽然其在常规物理学的应用中是实际有效的和必要的。但是我们不能因此把零点能与其它形式的能量对立起来，使之绝对化，而仅看作是绝对的空无。目前对真空性质的研究已清楚地表明，那种认为零点能或真空中没有任何能量的观点是根本错误的。正象老子《道德经》所形容的那样：“谷神不死，是谓玄牝。玄牝之门，是谓天地根。绵绵若存，用之不勤。”（六章）事实上，真空中存在着巨大的能量涨落，与宇宙中其它显在的能量形式相比，其所蕴涵的巨大能量超出了以往物理学的常规框架。可以这样说：宇宙中一切我们所已知的显在的物质与能量的存在形式都只不过是露出水面冰山的尖顶，这个小小的尖顶的存在只不过是预示着，它的更大的难以预知的部分都浸泡在“无”的巨大能量海洋之中而若隐若现。明白了这一点，那么理解宇宙创生的能量来源问题就不会有什么太大的困难了。

在中国古代哲学中，生生不息，一直被视为宇宙演化发展的根本原则。如作为六经之首的《周易》就指出：“生生之谓易”[16]。它的依次排列，循环递推的六十四卦阵团更是对宇宙演化大循环运作图象的一个形象的阐发。一百多年前，恩格斯也曾经指出：“一个宇宙系统”有其“从产生到消灭中一个跟一个发生的变化的历史。”[17]他还说：“无限时间内宇宙的永远重复的连续更替，不过是无限空间的无数宇宙同时并存的逻辑的补充”，并认为“这是物质运动的一个永恒的循环。”[18]就象恩格斯天才预见到的那样，现代宇宙学正在证明，在更为玄深广阔的宇宙背景下，每一宇宙系统由于其自身的原因，而不断经历着否定之否定的产生与消亡的历史过程。它亘古无期，玄远无尽，周而复始又生生不息，绵延着，演进着，发展着。

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