物质如何无中生有？宇宙最初的能量，是从哪里来的呢？

宇宙中的第一颗粒子，是怎么凭空蹦出来的？物质如何无中生有？其实，现代物理学已经找到了6种特殊机制，能在真空里“无中生有”的生成新粒子。这6种特殊机制是：

• 安鲁效应
• 霍金辐射
• 动态卡西米尔效应
• 施温格效应
• 高能非弹性碰撞
• 布赖特-惠勒过程

本文将先科普这6种机制，之后会继续追问，宇宙最初的能量是从哪里来的呢？答案是真空，下文会仔细解释。

之后会继续追问：物质能不能无限分割下去？答案是 大概率不能，本文结尾会仔细解释。

本文不是AI写的，纯人工写稿！

第1种粒子无中生有的现象：高能非弹性碰撞

两个高速运动的质子擦边相撞，能变成两个低速运动的质子，再加一个正电子和一个负电子。如下图所示：

前后都是两个质子，只不过碰撞前高速运动，碰撞后低速运动。前后只损失了动能，就能非常神奇的，在真空里无中生有的额外制造出了电子。

因此，动能可以转换成电子。

除了电子，这种方式还能制造出夸克、中微子、希格斯粒子等大多数基础粒子。

第2个现象：施温格效应

两块平板相隔1米，中间是真空。假如两块平板之间电压超过100亿亿伏，就能在真空中无中生有的激发出电子。

仔细看好了，平板中间是真空，不是空气，真空里面可是什么粒子都没有。

这种现象叫施温格效应：在空无一物的真空里，只要电场强度超过100亿亿伏/米，就能

无中生有

的激发出电子。激发出电子的概率为：

那电子的能量是从哪里来的呢？答案是：来源于电场本身的能量。

第3个现象：布赖特—惠勒过程

两个能量极高的电磁波相撞，就能变成一个正电子和一个负电子。

这个电磁波的能量需要有多高呢？手机4G电磁波的频率大约是10⁹赫兹，而这个电磁波大约是10²⁰赫兹，是4G频率的1000亿倍。

这个现象在2021年，已经被美国“布鲁克海文国家实验室”的实验证实，并且发表在物理学顶级期刊PRL上。论文如下：

纯粹的能量存在吗？有没有不依附于粒子的能量？

没有粒子，也可能有能量。

比如说电场、磁场、真空零点能、暗能量、引力波，我们可以确定它们都有能量，但是都不需要依附于粒子。其中，电场、磁场、真空零点能的能量依附于量子场，暗能量和引力波的能量依附于时空，因此，能量必须依附于量子场、粒子或时空，纯粹的能量是不存在的！

第4个现象：动态卡西米尔效应

2011年《自然》杂志发表一篇论文，两块“镜子”，中间是真空。物理学家用超导量子电路，让“镜子”(等效于)每秒震动110亿次。神奇的事情出现了，真空里竟然无中生有的诞生出了光子。

它的原理是，只要让边界条件随时间快速变化，就能把真空量子涨落“抖”成真正的光子。

第5个现象：安鲁效应

这是所有现象里面最神奇的，它很可能会颠覆你对真空的认知。

一对双胞胎，在同一片真空区域，两人各自带一个粒子探测器。一个匀速运动，另一个加速运动。

匀速运动的人，探测到这片真空没有任何粒子。但是，加速运动的人，却探测到这片真空充满了热辐射，也就是光子。

也就是说，只需要加速运动，光子就能从真空中无中生有的诞生出来。

安鲁效应的公式为：

这些光子的能量是从哪里来的呢？来源于维持加速所需的外力做功。也就是说，加速的能量转换成了光子的能量。

这个现象告诉我们一个道理，同一片星空，你匀速穿越，这片星空是空的；但是，如果你加速穿越，这片星空就充满了光子(热辐射)。

你我每时每刻的加速度都不一样，所以，你看到的宇宙，和我看到的宇宙，可能从来都不一样。只不过差距很小，我们感觉不到差异。

第6个现象：霍金辐射

其实大部分对霍金辐射的科普都是错的。他们会告诉你，黑洞附近存在虚粒子对，其中1个虚粒子被引力吸入黑洞，出不来了；剩下1个虚粒子逃了出来，于是就形成了霍金辐射。

这种物理图像其实是错误的。

事实上，霍金辐射最核心的物理内核是，真空本身的定义，发生了变化。

真空就像平静的湖水。最开始没有黑洞，湖面纹丝不动，没有波浪、没有粒子。在量子场论里面，场的激发态（类似于湖面的波浪）就是粒子，因此，粒子≈波浪，如下图所示：

但是，黑洞形成后，事件视界会极度拉伸它附近的湖面，让那里的湖面形状发生了剧烈变化。

于是，在地球上的人眼中，湖面就出现了波浪，也就是出现粒子，这种粒子就是霍金辐射，如下图所示：

也就是说，黑洞的出现，让过去平静的无粒子的真空，在远方观察者眼中，变成了未来有波浪有粒子的状态。

因此，霍金辐射的新粒子，本质上来源于：黑洞诞生前后真空不一样了。

这个现象告诉我们，在弯曲时空中，真空不是唯一的，而是与时空有关。时空一改，真空便可能显现出新粒子。

这6个现象，有的有实验证据，有的只是假说：

这是我个人对这6个现象的置信度:

每个人的置信度都可以不一样。

这6个现象看起来完全不同，但是背后都有一个共同规律：能量+真空，能变成各种新粒子。动能、电场、电磁波、边界震动、加速度、黑洞引力，这些本质上都是能量，都能从空无一物的真空里，激发出粒子。

因此，这句话很重要我强调一下：能量+真空，能变成各种新粒子，各种粒子组成了世间万物。

宇宙最初的能量，是从哪里来的？

目前天文学的主流观点是，宇宙大爆炸的能量来源于真空的慢滚暴涨或者真空相变，在谷歌学术搜索上，至少有10万篇相关的学术论文。

真空有高能量状态，也有低能量状态:

138亿年前，真空从高能量状态忽然降低为低能量状态，这个过程有点像，真空发生了一次地震。

慢滚暴涨和真空相变有什么区别？

慢滚暴涨认为真空像一个小球沿着缓坡慢慢向下滚，势能一点点降低。如下图所示：

而真空相变则认为，真空突然地从高能状态跳到低能状态。

一个是慢速地震，认为地震持续了长达10⁻³²秒，另一个则认为是快速地震，地震只持续了10⁻³⁵秒。

刚才我们讲过，能量+真空能无中生有的制造出新粒子。因此，真空地震释放的能量，能无中生有的制造出夸克、电子等基本粒子。

这些基本粒子在引力的驱动下，经过几十亿年慢慢聚集成了恒星和星系，进而演化出正在看视频的你。因此，归根溯源，我们都来源于真空。

所以，你、我、世间万物，大概率都是真空的产物。我们很可能都是真空的孩子！这句话很重要我强调一下，我们很可能都是真空的孩子！

这正印证了老子的那句话，世间万物，生于有，而有生于无。这里的“有”指的就是夸克、电子等基本粒子，而“无”指的就是真空。

这么棒的科普视频，你还不点个赞？这么棒的科普作者，你还不关注一下？

既然世间万物的能量来源于真空，那么：

真空的能量又是从哪里来的？

真空能量的终极来源，目前仍是未解之谜。霍金曾经提出一个“零能量假说”：

物质的正能量，可以被“真空的引力负能量”完全抵消，所以整个宇宙的总能量可能为零。形象地说，宇宙大爆炸就像从真空“借”出了能量，于是真空本身的能量就变成了负值。

真空里面到底有什么？

现代物理学对真空的描述有几十种候选理论，比如量子场、暗能量、自旋泡沫、因果集、弦论等等。这些理论彼此之间往往互相冲突，目前还没有一个被实验确认的最终答案。因此，在“真空里面有什么”这个最深层的问题上，物理学暂时还无法给出答案。

这个问题，其实和“宇宙的本源是什么”高度重合，它俩其实是同一个问题。

宇宙的本源是什么？（本文最精彩一部分，一定要看）

哲学家们对“宇宙的本源是什么”，争吵了两千多年，大致形成了三条主要路线：实体本体论、结构实在论和过程本体论。

先说实体论。它认为宇宙存在基础对象，万物都由它搭建，就像搭积木一样。

比如说，亚里士多德的基质、莱布尼茨的单子，以及现代物理里的粒子、量子场、弦，都可以看作这类基础对象。

第二种是结构关系论。

它认为真空里没有固定不变的基础对象，真正重要的是关系结构，比如能量守恒关系、量子纠缠关系、对称性结构、对偶性结构、光锥因果结构等等。

第三种是过程论，直接对前两个掀桌子了。它认为最基础的既不是对象，也不是关系，而是“正在发生的事件过程”，比如粒子碰撞、量子跃迁、粒子产生与湮灭、时空事件等等。

这三者到底有什么区别呢？

以电子为例。

实体论认为，电子是一个实实在在的对象：

而结构论认为，电子只是一堆关系规则的结合，如下图所示：

就像象棋里的马，把马换成驴、老虎、机器人都不重要，只要它还能“走日”，它在棋局里就是马。

同样的道理，电子之所以是电子，是因为它具有电荷、量子纠缠和电磁相互作用等关系规则，是这些关系规则定义了电子。就像走日关系规则，定义了马一样。

换句话说，实体论认为，电子决定了关系规则；而结构论认为，关系规则定义了电子。

而过程论把它俩都推翻了，认为电子只是量子场不断发生的一系列“激发、传播、跃迁、湮灭”事件。

打个比方，快速转动荧光棒，你会看到一个发光圆环。但是这个圆环并不存在，它纯粹是运动留下的连贯错觉。如下图所示：

同样的道理，所谓的电子，也只是一连串“激发、传播、跃迁、湮灭”事件，在时空画布上留下的连贯错觉。

电子就像那个光环一样，根本找不到一个静态的实体基础。电子和圆环一样，都只是运动留下的连贯错觉。

那我们认真思考一下：电子究竟是一种实实在在的东西、还是一种关系规则结构、还是一个变化的过程？

再举个例子，真空会不停的出现微小、短暂的能量起伏，也就是量子涨落。如下图所示：

真空为什么会出现量子涨落？

实体论认为：量子涨落来源于一群“虚粒子”乱跳。

结构论认为：没有“虚粒子”，量子涨落来源于量子态本身的不确定性结构；如下面公式所示：

过程论认为：量子涨落就是真空量子场持续呈现微小起伏和关联变化的过程，如下图所示：

虚粒子和不确定性结构，跟“发光圆环”一样；其实“圆环”没有实体基础，同样道理，虚粒子、不确定性结构 其实也没有实体基础，它们3个都是过程的表象。

总结一下，真空为什么会有量子涨落？

• 实体论：虚粒子
• 结构论：不确定性结构
• 过程论：量子场的起伏变化

你支持这3个里面，哪个观点呢？

总结一下这3种实在论，宇宙里面最基础的东西是什么？

• 实体论的答案是：某种固定的对象；
• 结构论的答案是：固定的关系和结构；
• 过程论的答案是：发生、变化和生成。

也就是说，真空里面最基础的那个东西，是一个名词？还是是一种语法规则？还是一个动词？

下面这句话非常重要，一定要听好了：结构论和过程论都不否认实体的存在，只是认为实体不是最基础的，实体可以变化。

现在问题来了，这3种观念哪种更正确？

实体、结构和过程，到底哪个更基础？

其实，哲学里面已经针对这个问题争吵了两千多年。

• 公元前500年，古希腊哲学家赫拉克利特支持“过程论”，巴门尼德 支持“实体论”，两边开始论战。
• 1715年，莱布尼茨用“关系论”进入战场论战。
• 1929年，怀特海 用全新的“过程论”进入战场论战；
• 最后到了1989年，一些物理学家根据相对论和量子力学的最新成果，用“关系结构论”加入“大混战”。

最终的结果是：这3种观念谁也无法战胜谁。

有一种中和的观点是，对象、关系和过程只是同一实在的不同侧面，让它们3个平起平坐。

也就是说，宇宙最基础的东西，既不是像“电子”一样的基础对象，也不是像“能量守恒”一样的关系法则，也不是像“量子跃迁”一样的变化过程，而是三者的交织：

这跟我们之前一直讲的，“物质-能量-信息”非常相似：

假如宇宙是由积木搭建成的：

• 实体论里面的基础积木，对应着物质；
• 过程论里面的积木搭建过程，对应着能量的流动；
• 结构论里面的积木排列组合方式，对应着信息。

因此这3种哲学路线，与物质-能量-信息存在一种非常漂亮的对应关系，都是从3种不同角度观察自然法则。

这也是我头像里面3原色的来源。

最后一部分：物质可以不断向下分割吗?

例如分子、原子、原子核、夸克、……

其实，这个问题问错了，因为这个问题本身已经隐含了“实体论”的思想，但是实体论不一定可靠。

我们需要放弃“必须有最小实体”的直觉，基础实体可能不再有固定的“位置”和“大小”，而是瞬态事件。基础实体可能会不断地 产生-湮灭、拓扑重组、分解-融合、转化为其它实体等等。也许真正的底层不是“基础实体”，而是实体、结构和过程三者共同融合成的某种实在。

稍微总结一下，真空里面交织着实体、结构和过程。大约138亿年前，真空发生了真空相变或者慢滚暴胀，就像发生了一场地震一样。真空地震释放了大量能量，开启了宇宙大爆炸；并且用前面说的6种特殊机制，无中生有的转化出了大量电子、夸克等基础粒子。这些粒子历经138亿年，最终演化出了世间万物。

下面是这篇文章的整个逻辑框架，一定要认真看一下：

下一集我们将科普：宇宙最终归宿是什么？宇宙大爆炸之前可能发生了什么？会有很多你没听说过的新奇理论。记得提前关注一下我，关注我之后，你才能第一时间刷到下一篇文章。

如果这篇文章对你有启发，记得点赞、收藏和转发。