【《時空旅行的夢想家》書摘】嬰宇宙領域依然身處襁褓期

本文節錄自《時空旅行的夢想家》第十二章 嬰宇宙領域依然身處襁褓期

宇宙氣球新風貌

霍金要我們想像一個龐大的氣球以高速膨脹。那個氣球就是我們的宇宙,球面的小點是恆星和星系,小點讓表面凹陷或起皺摺。根據愛因斯坦的預測,當物質和(或)能量出現,時空也隨之扭曲。

當我們以一台倍率不高的顯微鏡來檢視宇宙氣球(cosmic balloon),表面儘管遍布皺摺,看來卻仍相當平滑。改用倍率高的顯微鏡,我們就會察覺表面終究並不平滑。球面看來彷彿劇烈顫動,形成一團朦朧模糊的景象。

前面我們也見過這種模糊景象。測不準原理讓量子層級的宇宙變成非常模糊,一顆粒子的位置和動量,永遠不可能同時明確得知。我們能以一種設想來描繪出這種量子不確定性的相貌,想像每顆粒子都不斷顫抖並表現隨機細微的振動。我們愈貼近觀察,顫抖也愈劇烈。全神貫注詳細審視量子層級,我們充其量只能表示,一顆粒子有這個機率出現在這裡,或有那個機率像那樣移動。宇宙氣球的表面也同樣無法預測。若以夠高的倍率來觀看,量子擾動就會變得極度混沌,於是我們就可以說,那種擾動有可能正在進行任何事情。

霍金認為這種「任何事情」有可能是指什麼?他在一九八○年代晚期曾經投入思忖,宇宙氣球裡面生成一個細小凸起的機率為何。就我們比較熟悉的派對氣球而言,若球面有一點脆弱部位,那裡就會鼓起。通常派對氣球一出現這種情況就會立刻爆裂,不過偶爾會出現罕見事例,表面鼓出一個細小氣球。假使你能見到我們的宇宙氣球出現這種情況,那麼你就見證了一個嬰宇宙的誕生。

這看來相當壯觀:一個宇宙的誕生。我們有沒有機會目睹這種事件?不可能。首先,那不是一種發生在「實」時間的現象,而是發生在第十章討論的「虛」時間。還有個理由讓我們見不到它:霍金表示,因為若有任何東西真正稱得上從小開始,那就是宇宙了。我們的宇宙和新生嬰兒之間的連接通道(稱為臍帶亦無不可),寬約只為十的負三十三次方釐米。若想寫成分數,你可以在分子處擺個「1」,分母則寫上「1」後面跟著三十三個「0」。那是相當小。開口處(號稱蟲洞)就像細小的黑洞,閃爍現形倏忽消失,間隔短得無從想像。我們前面談過另一種壽命極短的東西(第六章的霍金輻射),那時我們見到,可以把能量場的擾動現象想成一對對非常短命的粒子。蟲洞同樣是構思這種擾動的一種方式,不過這次擾動的是時空紋理:宇宙氣球的表面。

霍金的設想是,附著於這種臍帶的嬰宇宙有可能並不短命,同時,開頭很小也不見得永遠保持很小。他的想法是,到頭來新生宇宙就有可能膨脹成像我們的宇宙這般模樣,延伸跨越數十億光年。就像我們的宇宙,裡面什麼都沒有?不盡然。霍金指出:「任何尺寸的宇宙都有可能從重力能量生成物質。」接下來就有可能形成星系、恆星、行星,說不定還有生命。

嬰宇宙和成年宇宙都為數眾多嗎?宇宙會不會從任意地方分支出來?從廚房洗碗槽內?從你體內?霍金說:會!新生宇宙有可能在我們周遭不斷生成,甚至從我們體內各點現形,我們的感官卻完全察覺不到。

你說不定會感到納悶,我們的宇宙初生之時,會不會就是另一個宇宙的側邊凸起。霍金宣稱是有可能的。我們的宇宙有可能是處於宇宙無邊迷宮的一環,各個宇宙分支出現彼此結合,就像無窮無盡的蜂巢,裡面不只有嬰宇宙,連成年宇宙也在其中。兩處宇宙有可能在不只一處定點生成蟲洞連接管道,說不定有好些蟲洞與我們自己這處宇宙的其他區域相連,或者連往其他時間(圖十二 - 一)。

在量子篩網裡面過日子

讓我們盡情發揮想像力,從一顆電子的視角來觀看這一切現象。假定宇宙任何定點都有千兆顆黑洞閃爍生滅,那麼一顆電子所面對的事物,也就類似龐大一鍋瘋狂沸騰的濃粥。在裡面通行,就像在一道不斷變動的篩網裡面穿行同樣棘手。一顆電子在這種環境裡面試行採直線移動,肯定是要遇上蟲洞,落入其中,接著就被射出,進入另一處宇宙。這樣講似乎十分可疑,物質彷彿會從我們的宇宙消失,而這是不容許的。然而根據這項理論,物質安全無虞,不會消失。另一顆一模一樣的電子會從其他地方冒出來,回到我們的宇宙。

難道我們不會注意到這種電子替換現象?我們不會這樣看待這種事情。在我們眼中,這種事件就像一顆電子沿著直線行進。然而當蟲洞出現,霍金的想法是,這時所有的移動電子,彷彿都像具有較大質量,超過沒有蟲洞的情況。所以,倘若我們試行以任意理論來預測粒子的質量,這時就有必要知道,是否真有所謂的蟲洞。

依理論所述,若一顆電子由一顆光子伴隨一道墜入蟲洞,看來就毫無異常之處。我們只會觀測到電磁交互作用的媒介子正常交換,其中一顆電子會發射一顆光子,再由另一顆予以吸收。霍金的推想是,或許所有粒子的質量和所有粒子的交互作用(在宇宙全境永不停息的四力作用力活動),都可以用這種進出蟲洞的現象來解釋。

讀到這裡,或許你要合理質疑,粒子怎麼有可能穿過蟲洞。蟲洞遠比我們所知的任何最小粒子都小。誠如霍金輻射的情況,不論我們如何試行構思全貌都行不通的事例,在量子力學卻有可能成真。

霍金投入計算蟲洞對粒子(如電子)的質量會產生什麼影響,初步計算結果指出,粒子質量遠比我們實際觀察所得還大。後來他和其他研究人員,設法求得比較合理的數值。不過到了一九八○年代末期,霍金便提出質疑,不肯定蟲洞理論能不能預測我們所處宇宙或其他宇宙的粒子質量。如第二章所述,當某種狀況必須直接測定,無法以理論來預測,這種狀況就稱為恣意元素。就迄今所有人設想的理論來講,粒子質量和所有力的強度,完全都是這種恣意元素。蟲洞理論恐怕無法稍減這類事物的任意特性,卻有可能解釋為什麼它們恰好都是任意的。霍金的想法是,粒子質量和其他自然界常數(fundamental numbers in nature),說不定根本都是量子變數(quantum variable)。這也表示,它們說不定都是不明確的,好比粒子路徑,或如發生在宇宙氣球表面的現象。每個宇宙的這類數量,都會在創世之際隨機訂定。可以這麼說,若是擲了一把骰子,這類數量就在那個宇宙拍板敲定,不過從理論不能知道骰子會開出什麼結果,說不定連哪種結果比較有機會出現,都沒辦法判定。蟲洞理論是不是也有這種情況,這點霍金沒有把握。不過,後來他又回頭思索另一種觀點,那就是自然界常數,甚至還包括自然定律,說不定是因宇宙而異,而非普適全體所有宇宙的基本原則,這點往後他在其他文獻還會提及。

嚴重扭曲的宇宙

霍金說:「眼前有個重大謎團,量子擾動為什麼沒有把時空扭曲成一顆細微小球。」別忘了,這就是理論學家追尋統世理論時必須解答的一個謎題。

這個所謂的真空中的能量問題,物理學家稱之為宇宙常數問題。各位應該記得,愛因斯坦曾經推出某種號稱宇宙常數的東西,以此來抵銷重力,這樣宇宙才不會改變大小。後來他稱之為:「我這輩子最大的錯誤。」那個術語後來意思稍有改變,指稱另一種相關現象。如今科學家使用宇宙常數一詞來指稱一個數值,由此我們就能得知,這種真空能量緻密到什麼程度:真空的能量密度。常識告訴我們,真空中完全不得有任何能量,不過前面我們也見到,測不準原理闡明,「真空」空間並非真的空無。那裡有翻騰洶湧的能量。宇宙常數[真空能量密度(the energy density of the vacuum)]肯定異常龐大,而且廣義相對論告訴我們,這種質量(能量)應該要讓宇宙捲曲起來。

然而,不論測不準原理和廣義相對論如何顯示,我們並沒有捲曲的宇宙。事實正好相反,就在霍金發展蟲洞理論之時,根據學界想法以及觀測結果,宇宙常數之量值早經認定為趨近於零。這是根據星系相互遠離之觀測速率,以及我們本身存在之實據推斷而得。霍金指出:「若宇宙常數很大,不論正負都會讓宇宙不適合生命發展。」宇宙常數值就是我們在第九章見到的「細微調校」範例之一。底下就會見到愛因斯坦稱之為「大錯」說得太早了,不過在一九九○年代早期並沒有人知道這點。

既然理論告訴我們,宇宙常數值應該非常大才對,為什麼觀察結果卻顯示,那個數值竟然是那麼小?請再回想一下,霍金輻射的對對粒子。根據霍金在盧卡斯數學講座教授就職演說時提到的超重力理論,真空中有對對費米子(物質粒子)帶來負能量,把對對玻色子(媒介子)的正能量抵銷掉了。這說不定正能解釋真相,或起碼提出局部說明,不過個中道理複雜難解。首先,這類粒子並不是只和重力互動。不過就算我們有許多正負能量兩相抵銷,若說所有一切都會這樣抵銷為零,委實有點過頭,令人難以相信。就如當初和霍金同樣對蟲洞投注熱情的科爾曼所述:「零是個很可疑的數字。想像你在十年間花了好幾百萬美元,同時卻從來不去看你的薪水,最後拿你花掉的和所賺得的金額做比較,結果卻兩相抵銷,分毫不差。」宇宙常數要抵銷到零更不可能。

蟲洞能不能破解這個謎團?霍金認為,蟲洞從任意定點分支出來,從而產生出宇宙常數(真空能量密度),或是粒子質量一類的量子變數。這有可能是任何數值。結果趨近於零的機率有多高?想像一個宇宙就像嬰兒一般,從某個現存的宇宙分支誕生。依據蟲洞理論所述,宇宙為數繁多,其中有些比我們所處宇宙的當今規模更為龐大,另有些則不到原子那麼大,小得令人無從想像,還有兩端之間的種種不等尺寸。嬰宇宙本身的宇宙常數值,必須從其他某處宇宙複製而來,或許可以說是繼承取得。一個人是否繼承音樂才能,在嬰兒階段並不重要;只有當那個嬰兒長大一些,這點才變得重要。一個宇宙繼承的宇宙常數值是否趨近於零,在嬰兒階段並不重要。除非宇宙發展到相當程度,否則其宇宙常數值根本無從測定。然而,在這大小不等的繁多宇宙當中,唯有當所有真空正負能量全部抵銷為零,這時嬰宇宙才最有可能透過蟲洞連通管道,從其他較大、較冷的宇宙繼承取得宇宙常數值。科爾曼鑽研任一依蟲洞理論所述之宇宙的宇宙常數趨近於零的機率:我們這類宇宙的出現機率,結果他發現,任意其他類型的宇宙全都不可能出現。

蟲洞和統世理論

蟲洞和嬰宇宙讓許多物理學家迸發想像力,他們開始做出反應,就種種觀點爭執不休,還提出其他不同版本。這始終是好現象。「嬰宇宙領域依然身處襁褓期,」霍金妙語戲稱:「卻也長得很快。」蟲洞和嬰宇宙能不能為尋覓宇宙完整理論做出貢獻?

首先,我們已經見到,這項理論似乎能提供一種新穎手法,來審視宇宙常數問題,也就是真空能量密度理當讓宇宙縮小,實則不然的棘手難題。霍金認不認為,蟲洞就是能解決廣義相對論和量子力學間這種歧異的理論?「我可不會推得那麼遠,」霍金表示:「沒有根本上的歧異,不過有些技術問題是蟲洞幫不上忙的。」

其次,倘若你依循蟲洞理論回溯到起點,這個理論也不會失效。換成愛因斯坦的理論,倘若你依循事項回溯到大霹靂,你就會來到一個奇異點,到了那裡,我們所知的物理定律都會完全失靈。霍金的無界構想闡明,在虛時間中不會有奇異點。依蟲洞理論推想,在虛時間中,我們的宇宙起初有可能是從另一處宇宙分支生成的嬰宇宙。

第三,蟲洞理論以一種令人滿意的幾何方式,把量子理論和相對論充分串連起來,於是我們就可以認定,量子擾動、量子蟲洞和嬰宇宙,以及天文學等級的時空扭曲和黑洞,兩邊並沒有太大不同。我們所處宇宙的種種基本數,好比粒子的質量和電荷,以及宇宙常數,說不定都是一組互連宇宙迷宮的幾何造型產生的結果。

其他理論都沒辦法預測粒子的質量和電荷。根據那些理論,這些都屬於恣意元素。就不曾見過我們這處宇宙的外星生物而言,除非小量品嚐「實」宇宙,否則單憑那些理論,完全沒辦法算出這些基本量值。我們已經見到個中相關爭議,包括蟲洞能不能讓我們得以認識、算出這些基本數,還有蟲洞會不會讓這類數值更不可能以任何理論來預測。

根據超弦理論,宇宙的基本物體根本不是點狀粒子,而是一種纖細的振動弦,這派理論學者期望他們的理論,到最後有可能預測出粒子質量和電荷。但霍金並不看好:「倘若這幅嬰宇宙寫照是對的,我們預測這些量值的能力就會減弱。」假使我們知道外面有多少處宇宙、它們的大小為何,那麼情況就不同了,不過我們並不知道,甚至看不出它們是不是連上我們的宇宙,或從這處宇宙分支出去。我們沒辦法得知這一切的精確全貌,只知道,倘若宇宙確實相連或分支生成,則粒子質量和電荷等一類量值的表觀數值也會因此改變。到最後,我們的預測值不確定性,也就會變得很小卻又相當明確。

霍金不會太擔心這類研究能不能帶領他找到統世理論。他的策略是,專注於他了解的領域,點滴處理眼前問題,闡明把相對論和量子力學擺在一起會發生什麼事情,還有事物如何運作。他認為,不論統世理論最後是由誰發現,呈現哪種相貌,以他這種方式來研究宇宙,產生的發現應該都能成立。他構思的寫照,應該能夠納入成為一個更大,或者更基本寫照的一環。

 

--書籍資訊
書名:時空旅行的夢想家:史蒂芬‧霍金【2017年全新增訂版】
作者:吉蒂.弗格森
譯者:蔡承志
出版社:時報出版
ISBN:978-957-13-72358

 

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