科学是基于存在的研究，但是存在并非理所当然。

存在即有，有生于无，无又生于何？

我们时间和空间可能并非我们所感受的如此简单，时空概念其实更加深刻。

宇宙之前的虚空世界，是人类研究的极致科学领域。

如果没有生命，没有地球，没有太阳和星星，没有用于聚集的原子，而只有虚无的空旷会怎么样？

世间万物从何而来？时间和空间是如何从无到有的？假设我们从一个空间范围内移走了所有的物质，那么这个空间会回到原初的“无”的状态吗？古往今来的人们关于“无”的认识和探索经历了哪些博弈和变革呢？牛津大学物理学教授弗兰克·克洛斯为你打开了一扇宇宙中的虚空之门，由浅入深带领你进入玄妙的虚空世界。

《虚空：宇宙源起何处》一书简明、全面地介绍了与空间相关的基础知识，展现了人类对“无”“空”的认识过程以及科学探索，尝试解答了宇宙的起源等物理难题以及科学家们为此而创新的各种经典理论。《虚空：宇宙源起何处》获评为重庆市优秀科普图书。

网友推荐

非常有趣！人类对空间里有什么的无限探究，但终归无法穷尽，难道是因为我们维度太低了？                                                            ——当当网读者

英国科学家的科普书，讲的虚空，但在某种程度上和佛学、道学倒是有些相通了，看似*简单的问题，包含着*深奥的思想。                                 ——yuhao1978

该书介绍了科学界关于“虚空”的看法和讨论，很多重要的物理概念都涉及了，感觉打开了一扇物理界的众妙之门。                                              ——lilybf

真空不是真的空，虚空也不是真的“无”，那时间和空间的本初到底是什么呢？太烧脑了！

——peaceminusone

1 庸人自扰

1.1 对虚空的早期理解

1.2 憎恶从何而来？

1.3 空气

1.4 制作真空

1.5 布莱斯·帕斯卡：水与酒的博弈

1.6 真空长什么样？

1.7 大气压强

2 原子内部何其空旷

2.1 电子

2.2 原子到底有多空旷？

2.3 场

2.4 场是否有大小

2.5 重力场和平方反比定律

2.6 波

3 空间

3.1 创世纪

3.2 牛顿

3.3 空间及运动的概念

4 波在何处

4.1 电磁场与波

4.2 波的载体

4.3 以太难题

5 随光束旅行

5.1 空间、时间及时空

5.2 时空

6 自由空间的代价

6.1 时空扭曲

6.2 引力和弯曲

6.3 宇宙膨胀

7 无限的海洋

7.1 量子世界

7.2 波和量子不确定

7.3 沸腾的真空

7.4 无限的海洋

8 希格斯真空

8.1 相和组织

8.2 相变和真空

8.3 改变真空中的力

8.4 希格斯真空

9 新的虚空

9.1 宇宙的状态

9.2 暴胀

9.3 更高维度

9.4 搜寻虚空

书目提要

牛津大学物理学教授弗兰克·克洛斯的《虚空：宇宙源起何处》是一本关于“无”“空”相关问题的简明科普读本，尝试解答了“世间万物从何而来”的谜题。弗兰克梳理了从古希腊哲学家到当代科学家对于“无”“空”的认识和讨论，结合各个时期人们对实验方法的改进，展现了人们对这一问题逐步深入的探究，特别是性能越来越先进的大型粒子对撞机的探测成果催生了更多的理论可能性，可以让读者深切体会到时间和空间并非我们所感受到的那般简单，本书有助于激发读者对宇宙诞生之前的虚空世界这一科学领域的探索兴趣和思考。

如果没有智慧，生命会怎样？如果没有生命来了解，所有的存在又有何意义？百亿年前的景象可能会是这样：一个无生命的虚无世界在广阔的空间中盘旋，其间杂乱地充斥着等离子体云和贫瘠的岩石块。参照我个人的“1945年前”时期，那时重力舞动也在进行，只是没人意识到；这个“意识前”时期正如我的“1945 年前”时期的一个巨大的扩展，虽然没有生命，但那时就存在的原子却构成了我们今天的身体。一旦参与进来，这些原子之间复杂的契合就变得有序，从而创造出所谓的意识并且可以看到宇宙远处“意识前”无生命时期发出的光。现在的我们可以接受并见证早期的无生命时期，它在这个事件之后已经成为一种现实。我们还不是从虚无中被创造出来的，而是源自原始的“粗糙物质”以及亿万年前形成的原子，它们的有序排列、聚集就形成了我们。

    ……

在大自然面前，我们人类的想象力总是那样有限。随着相对论、核原子的发现以及量子力学的提出，人们才知道罗德·凯尔文和迈克逊曾经的言论是多么幼稚可笑。在牛顿和爱因斯坦的力学理论中，对于大物体的行为描述可谓举世无双，范围大到整个星系小至掉落的苹果，甚至到光束。其中前者更偏向直接实验；而后者中的光却不容易直观感知。但人们发现，在原子尺度上却需要使用量子力学，它似乎展示了一个无法确定的魔幻世界。这个发现构成了现代科学的另一个重大基础，虽然直观上它难以被理解。如果我们要尝试理解虚空，就必须先了解深奥的量子力学。实际上，量子力学似乎暗示了亚里士多德可能是正确的：真空绝对不是空的，其中充满了激烈的活动。所以，首先让我们看看量子的概念，并理解其和牛顿- 爱因斯坦理论之间的联系。

和原子比起来，人类可算庞然大物。我们的感官非常发达，足以感知到周围的宏观世界。对于我们的祖先而言，他们的眼睛足够发达，能够感觉到光谱；他们需要时刻注意潜在的捕食猛兽，但是不用关心射电星或者原子什么的。要看到原子，需要特制的显微镜。而显微镜的出现不过百余年的时间，通过它人们发现的很多现象完全违背了已知的物理定律。例如，台球会按照固定的线路发生撞击，但是原子束的散射角度却有不同，不同区域强弱不同，就像水波穿过通道后发生衍射产生的峰和谷。在孩提时期，我们感觉到的都是宏观世界，由此建立起的直觉思维都是宏观的。之后我们对事物规律的预期都基于这种宏观直觉；而与波相似的原子却不符合这种常规情况。

在17世纪，人类对原子还一无所知。当时牛顿总结出了宏观体力学定律，之后被爱因斯坦提炼并形成了我们迄今公认的自然观。然而，这个自然观是非常粗略的。对于含有大量微小粒子的物体，可以用牛顿-爱因斯坦理论进行解释，但是这种解释非常肤浅。单个粒子服从一些更基本的准则，这些准则通常非常奇怪。比如，奇怪的是，单独原子的精确位置和运动状态是无法确定的。如果单独原子本身具有意识，经过这些实验之后它们也会发展出自己的直觉思维；它们会知道自己有直觉，而且也觉得自然而然。然而，自身意识包含有大量的原子。当大量的原子排列在一起，就会出现一些简单的规律性排列，导致组成的聚合物具有一些单独原子或小数目原子所不具有的性质。人类的意识只是其中一个例子；其他例子还有很多，例如金属的磁性、超导体的性质等，当原子聚集成宏观物体时才具有这些性质，单独的原子就没有这些性质。即使相同的原子或分子，通过不同的组织方式，也可以形成不同的状态，比如冰、水、水蒸气就是水分子的固态、液态、气态3种不同的相（到第8章，在讨论相变和特有真空时，我们会把这个理论进行拓展）。在这种情形下，从潜在的基本表现中，人们发现了一系列重大的物理定律。

在很多量子的情况下，我们不知道基本方程式，或者知道方程式但是发现完全不可解，但是仍然可以预言很多科学现象。这是因为不仅仅原子和分子遵从组织性，独立原子层面的物理定律也可以推广到新的复杂系统组织中去。独立原子层面的基本引导方程是已知的，但是我们只能在几个简单的条件中解出来，对于固态和液态一筹莫展。但是这并不妨碍工程师们设计建造钢架结构或者液压系统。电荷法则是热力学和化学的基础；然后引出了刚性定律，并最终成为工程准则。也许没有基本准则来解释物质的液态是如何产生的，但不妨碍我们知道很多液体的一般性质。液体中不同点的压力相同，这一点不同于引力效应；根据这个原理，人们设计出了水银气压表和各种液压装置。这是液态组织的性质，与原子层面的基本原则完全不相干。这直接导致了伽利略和托里拆利在液体和真空方面的发现，和本书开头描述的一样。

正是这些层次分明的结构和定律，使我们能够理解和描述这个世界；外层依赖于内层，但是又具有自己的特性，经常可以独立对待。所以，工程师们在建造桥梁时，只需要考虑压力和拉力，而不用考虑更基础的原子物理。

一直以来，所有工程和技术的基础都是牛顿运动定律——物体做匀速直线运动，直到受力改变运动状态；对于相同的力，质量越大加速度越小；加速度的方向和受力方向相同。在 300 年的漫长岁月中，这个定律一直适用得很好，但当物体接近光速时它就不适用了，这时候就得借助爱因斯坦的相对论了。而在原子尺度上，也需要用量子力学替代牛顿力学。

当前的物理实验基本都是在大体积物质层面上，对于内部原子理解相对较少，但是各种现象暗示内部的原子结构时刻在进行着剧烈的运动。我们能看见植物不断长高，并不会看见碳和氧从空气进入植物中并最终变成叶子；面包中的粮食会神奇地形成人体，因为分子被重组了。所有这些情况都是原子在发号施令，而我们这些笨重的宏观体只能看见大型的最终产物。牛顿力学也只能对那些大型物质的行为适用。

牛顿之后经过两百年，人类才发展出足够的实验技术，开始认识原子结构。从20 世纪初开始，各种原子粒子层面上的奇怪实验现象不断出现，似乎不符合牛顿力学，比如早先我们提到的原子具有波动性。

这个谜团的最终结果是，“这是科学史上一个经典的案例，即理论必须遵从实验，别无其他。”在 20世纪20年代，量子力学定律被发现了，这是一种作用于微小物质的力学机制。量子力学出现以后，就可以预言很多精度达到十亿分之一的事件了。但是它也引出了很多稀奇古怪的悖论，江湖术士会利用它来骗人说：科学家们正在研究平行宇宙，在那里猫王仍然健在，而且可以通过心灵感应进行交流。

这种悖论有很多，一直困扰着我们，其中一个悖论是：移除物质、场等所有事物之后，可以形成一个虚空，但是随之产生的大尺度的空旷本身也是一个集体效应。从原子尺度看，虚空内部充满了剧烈的运动、能量以及粒子。

……

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弗兰克·克洛斯（FrankClose），英国牛津大学物理学教授，埃克塞特大学研究员。他曾任英国科学促进会副会长和卢瑟福•阿普尔顿实验室理论物理学部主任，还担任过欧洲核子研究中心公共教育和通讯部主任。他曾荣获大英帝国官佐勋章（OBE）。因在促进公众对物理学的理解和科普写作方面的突出贡献，他获得了英国物理学会的开尔文奖、英国媒体评出的2007年最佳科普写作奖。他还著有《路西法的遗产》《奥德赛粒子》《反物质》等科普图书。