【《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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