宇宙秩序與物質生成的起源：關於 QCD 禁閉、非熱平衡與 CP 破壞的物理與神學思考

 

ㄧ、緒論（Introduction）

（ㄧ）問題背景

在現代宇宙學的標準模型中，大霹靂被描述為一個極高溫、高密度的初始狀態，其最早期的宇宙並非由原子或粒子所構成，而是由近乎純能量的輻射場主導（Weinberg, 1977[1]；Kolb & Turner, 1990[2]）。於普朗克時期之後，隨著宇宙急遽膨脹與冷卻，光子所攜帶的能量開始透過質能等價原理轉化為基本粒子，使真空中不斷生成並湮滅的粒子—反粒子對逐漸能夠短暫存活（Einstein, 1905[3]；Peskin & Schroeder, 1995[4]）。當宇宙溫度進一步下降，誇克與反誇克不再被高能輻射完全解離，開始結合形成質子與中子等強子，而重子—反重子之間微小的不對稱性使得部分物質得以保留（Kolb & Turner, 1990[5]）。隨後，在大霹靂後數分鐘內，質子與中子透過核反應形成最初的輕元素原子核，主要包括氫與氦，此一過程即為原初核合成（Weinberg, 1977[6]）。此時宇宙仍由高能光子主導，電子因與光子頻繁散射而無法與原子核穩定結合（Dodelson, 2003[7]）。直到約三十八萬年後，宇宙溫度降至足以使電子與原子核結合，電中性原子首次形成，光子因去耦合而自由傳播，留下今日所觀測到的宇宙微波背景輻射（Peebles, 1993[8]）。由此可見，從大霹靂初期以輻射為主的宇宙狀態，到物質結構與原子形成的出現，實際上是一個「光逐步轉化為物質」的連續物理過程，奠定了後續宇宙結構與可觀測物質世界的基礎（Kolb & Turner, 1990）。(表一)

 

表一、從大霹靂後的輻射主導宇宙，到穩定原子形成的物理必要條件與時間尺度。表中顯示，每一生成階段皆依賴特定的對稱性破缺、基本交互作用與宇宙膨脹速率；若任一條件不成立，後續物質與結構將無法出現。

階段	距離 Big Bang 的時間	生成目標	必要生成要件	若不滿足會怎樣	性質
0	10⁻⁴³–10⁻³⁶ 秒（普朗克期後）	高能光子主導場	極高溫度（kT ≫ GeV）	無粒子對產生	能量條件
1	10⁻³⁶–10⁻⁶ 秒	粒子–反粒子對（q–q̄）	E ≥ 2mc² ＋ 動量守恆	無法生成任何物質	動力學
2	~10⁻¹²–10⁻⁶ 秒	重子存在可能性	重子數非嚴格守恆	永遠無質子與中子	對稱破壞
3	~10⁻¹²–10⁻⁶ 秒	物質殘留	CP 破壞	物質與反物質完全對消	統計偏置
4	~10⁻¹²–10⁻⁶ 秒	偏差保存	非熱平衡（快速膨脹）	重子偏差被洗掉	時間性
5	~10⁻⁶ 秒（QCD 相變）	穩定重子	QCD 禁閉（Λ_QCD ≠ 0）	夸克無法形成強子	強作用
6	~1 秒	n/p 比例確立	弱作用存在 ＋ 冷卻速率	中子快速衰變	反應速率
7	~3–20 分鐘	原子核	強作用形成束縛態	無任何核結構	結構生成
8	~3.8 × 10⁵ 年	原子	電磁作用 ＋ 電中性	無化學宇宙	層級生成

 

創世記 1:2–5 「地是空虛混沌，淵面黑暗；上帝的靈運行在水面上。上帝說：『要有光』，就有了光。上帝看光是好的，就把光暗分開。上帝稱光為晝，稱暗為夜。有晚上，有早晨，這是第一日。」（《聖經．和合本修訂版》，創世記 1:2–5）[9]

    在《創世記》1章2–5節中，世界的最初狀態被描述為「空虛混沌、淵面黑暗」，其後以神的命令引入「光」，並以光暗的分離標誌出第一日的完成。這一敘事結構，與現代宇宙學標準模型對於宇宙早期狀態的描述，在關鍵層面上呈現出引人注目的相似性。根據 ΛCDM 模型，宇宙起始於一個極高溫、高密度的狀態，最早期由輻射（光子）主導，在結構與物質尚未形成之前，能量場先行充滿整個宇宙；隨著宇宙膨脹與冷卻，輻射與物質逐步區分，最終在去耦合時期形成可自由傳播的背景光（即宇宙微波背景輻射）。因此，無論是經文中「黑暗中的光被宣告並顯現」，或是物理模型中「在無結構的早期狀態中，輻射首先成為主導成分」，二者皆指向一個共同的次序：光先於穩定物質與結構而出現。現代宇宙學顯示，光並非宇宙結構形成後的副產品，而是在一切物質與原子生成之前，率先主導宇宙演化的基本實在。

    需要強調的是，聖經文本並非以現代物理學的數學語言撰寫，其目的也不在提供技術性宇宙模型；然而，當代科學對早期宇宙的研究結果，確實顯示出與《創世記》第一日敘事在概念層面上的高度一致。這種一致性並非以實驗「證明」取代啟示權威，而是表明：後設的科學探索，並未否定經文所揭示的創造次序，反而在一定程度上與其相互印證。因此，現代宇宙學的發展可被理解為對《創世記》啟示價值的一種補充性見證，顯示其敘事在宏觀宇宙起源問題上具有持續的思想穿透力。(表二)

表二、《創世記》第一日至第四日之創造結構與現代宇宙學標準模型的階段性對照表

創世記日次	經文核心行動	神學功能定位	對應你的物理階段	物理意義說明
第一日	「要有光」；光暗分開	建立可區分的時間與秩序（晝／夜）	階段 0–1	輻射主導宇宙；光先於物質，能量成為一切生成的前提
第二日	分開上下的水（穹蒼）	建立空間結構與層級	階段 2–4	對稱破壞＋非熱平衡，使宇宙不再是完全對稱的混沌
第三日	地顯露；植物出現	建立穩定結構與可承載性	階段 5–7	QCD 禁閉 → 原子核生成，物質首次具備穩定結構
第四日	造光體（日月星）以管時間	建立可觀測時間標記	階段 8	原子形成後，光子去耦合，天體與光源才具功能意義

 

 

宇宙中顯著的物質—反物質不對稱已被長期視為標準宇宙學的核心難題之一（Kolb & Turner, 1990^[10]; Canetti et al., 2012^[11]）。在理論層面，此一現象通常被歸結為非熱平衡狀態、CP 破壞與能維持重子穩定性的強作用結構之共同作用。然而，現有理論主要關注其運作機制，較少分析這些條件本身為何成立。

（二） 研究問題界定

本文區分兩個分析層級：

1.    在既定物理定律下，三條件如何運作；

2.    這三項條件本身為何能同時存在。

本文研究焦點位於第二層級，亦即律法設定層級（law-setting level），探討三條件的根源性與必要性。

（三）研究方法與範圍

採用跨學科分析方法，結合理論物理、對稱性分析、科學哲學與理性神學，對現有理論結構進行反思。本文不提出新物理模型，也不修正既有理論，而是釐清內因與外因的層級邏輯。

二、理論背景（Theoretical Background）

（ㄧ） QCD 與禁閉現象

量子色動力學（Quantum chromodynamics, QCD）描述強相互作用(strong interaction)，其最顯著特徵為禁閉現象(confinement)：夸克(quarks) 與膠子(gluons) 無法以自由粒子存在，而必須束縛於無色的強子之中（Wilson, 1974^[12]; Greensite, 2011^[13]）。這為宇宙中穩定物質的形成提供基礎，但其存在前提包括 SU(3) 色規範群的選擇、特定耦合常數行為及非阿貝爾規範場的自相互作用。

（二）非熱平衡與宇宙相變

在統計物理中，熱平衡為自然吸引態，非熱平衡需特殊初始條件或動力學機制（Tolman, 1938; Callen, 1985^[14]）。在宇宙學脈絡中，非平衡狀態通常與快速膨脹、相變或冷卻速率相關，但這些過程已隱含了初始條件與時間尺度設定。

（三）CP 對稱與其破壞

CP 對稱（charge parity symmetry) 為電荷共軛(charge conjunction) 與空間反演(parity) 不變性。在理論上，對稱性為自然狀態，而 CP 破壞( CP violation) 並非自發湧現，而是內建於理論結構之中（Sakharov, 1967^[15]; Branco et al., 1999^[16]），引入方向性與偏好性。

三、三條件的內因運作分析

在既定物理框架下，非熱平衡與 CP 破壞可共同生成重子不對稱（baryon asymmetry)，而 QCD 禁閉將其固定於穩定強子結構中（Riotto & Trodden, 1999^[17]）。然而，這種操作性成功並未提供根源性說明，內因分析假定三條件已存在，無法解釋其同時成立的必然性。

四、設定層級問題（The Law-Setting Problem）

分析顯示，三條件屬於律法設定層級（hierarchy of laws)（Ellis, 2006^[18]; Carroll, 2020^[19]）。「非熱平衡」（ a departure from thermal equilibrium) 違反統計自然態（statistically natural state)，「CP 破壞」(CP violation) 違反對稱性自然態(symmetry natural state)，「QCD禁閉」依賴特定理論結構。它們更合理地被理解為宇宙秩序的前結構（pre-structure），而非內因必然湧現。

五、自然主義回應之分析與限制

自然主義（methodological naturalism) 通常將問題歸因於偶然或多重宇宙，但這些解釋無法消解對自然律選擇性的根本問題（Tegmark, 2003^[20]; Ellis & Silk, 2014^[21]）。即便存在多重宇宙，仍需元法則以生成三條件，問題只被推至更高層級。

 

六、神學詮釋的理性地位

神學並非物理機制的替代，而是對自然律可設性與秩序性的形上學詮釋（Aquinas, 1981^[22]; Polkinghorne, 1998^[23]）。將自然律理解為源自理性根源，使其結構性與方向性獲得整全解釋，物理學與神學在不同層級形成互補理解。

 

七、結論（Conclusion）

(一) 三項物理條件不是自發必然

本文以量子色動力學禁閉（QCD confinement，強作用束縛）、非熱平衡狀態（宇宙非平衡演化）與 CP 破壞（對稱性破缺）三項條件為分析核心，探討其在宇宙物質主導結構形成中的理論地位，並進一步追問這些條件本身如何得以成立。研究顯示，雖然這三項條件在既定物理理論框架下可透過內在動力學機制加以運作，並成功解釋夸克束縛、重子穩定性及物質—反物質不對稱的具體演化過程，但其同時成立並非由對稱、中性或熱平衡等「自然初始狀態」所必然導出。相反地，它們在邏輯上更接近於對自然律結構與初始條件的高度選擇性設定。

(二) 非熱平衡需特殊設定

具體而言，非熱平衡狀態違背統計物理中的平衡吸引態，必須依賴特定邊界條件或初始動力學；

(三) CP 破壞是對稱性的例外

CP 破壞並非由對稱性自發必然產生，而是以非零相位與精細參數形式內建於基本理論之中；

(四) QCD禁閉的前提條件不是任意

而 QCD 禁閉（quark confinement）雖屬強作用的內生結果，其成立仍以前提性地假設了特定規範群結構與耦合常數。由此可見，這三項條件的物理有效性建立在一個更深層的「律法設定層級」之上，而非完全自足的內因生成。

(五) 自然主義解釋有限

本文進一步指出，自然主義對此問題的常見回應——諸如訴諸偶然、未來終極理論或多重宇宙模型——在方法論上僅是將解釋需求向後推移，而未能在原則上消解「為何是這套可生成穩定物質、可打破對稱、且具方向性的自然律」這一形上學問題。即便在最為擴展的自然主義框架中，仍需預設一組可理解、可表述且具有選擇性的元法則，而該預設本身已超出純粹經驗科學所能自我說明的範圍。

(六) 物理與神學的層級差異

在此意義下，神學詮釋並非作為物理學的競爭性解釋介入具體機制層面，而是作為對自然律可設性、秩序性與理性可理解性的形上學回應。將上述三項條件理解為源自一個超越宇宙內部因果鏈的理性根源，能在不削弱物理理論自主性的前提下，為其高度結構化與方向性的特徵提供一致且整全的解釋。物理學與神學並不互相排斥，而是在不同層級上 共同解釋宇宙可理解性與秩序性。

(七) 總結：三條件指向秩序的源頭

因此，本文主張，QCD 禁閉、非熱平衡與 CP 破壞的聯合成立，最合理的理解並非完全內因自生，而是指向一種外因性的秩序基礎；在此基礎上，物理學與神學並非相互排斥，而是在不同層級上共同參與對宇宙可理解性的詮釋。

 

七、參考文獻（References）

[1] Weinberg, S. (1977).The first three minutes: A modern view of the origin of the universe (pp. 3–39). Basic Books.Ch. 1–3

[2] Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990).The early universe (pp. 1–6). Addison-Wesley. Ch. 1.

[3] Einstein, A. (1905). Does the inertia of a body depend upon its energy content? Annalen der Physik, 18, 639–641.

[4] Peskin, M. E., & Schroeder, D. V. (1995). An introduction to quantum field theory (pp. 15–20). Westview Press. Ch1.

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[6] Weinberg, S. (1977).
The first three minutes: A modern view of the origin of the universe (pp. 3–39). Basic Books.Ch. 1–3.

[7] Dodelson, S. (2003). Modern cosmology (pp. 63–75). Academic Press. Ch. 3.

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^[23] Polkinghorne, J. (1998). Science and theology: An introduction. Fortress Press.