【《時空旅行的夢想家》書摘】我叫做史蒂芬.霍金,是物理學家、宇宙學家,也是夢想家

本文節錄自《時空旅行的夢想家》第二十章 我叫做史蒂芬.霍金,是物理學家、宇宙學家,也是夢想家

霍金和曼羅迪諾合著的《偉大的設計》在二○一○年初秋問市,副標題卻很不像霍金的風格:生命終極問題新解(New Answers to the Ultimate Questions of Life)。完全沒有前面幾個書名的詼諧幽默:「簡」史、「胡桃」裡的宇宙。顯然這本書是打算寫得很嚴肅。

《偉大的設計》把半個多世紀以來霍金想過、做過的研究彙總起來,為我們完整介紹追尋統世理論的最新現況。書中有費曼的歷史求和、人本原理、模型和現實的意思、無界構想、資訊流失、對現代哲學的貶抑(這次出現在第一頁,不是寫在最後尾聲),還有和上帝的交鋒。不過這本書從一開始就清楚顯現一個戲劇性變化:追尋統世理論的進程,確實已經無章法可言。

以撒.艾西莫夫(Isaac Asimov)曾經寫道:「在困擾科學界男女成員的所有刻板印象當中,肯定有一種已經先造成的傷害。科學家可以被描繪成邪惡、瘋狂、冷漠、自我中心、心不在焉,甚至是呆板,卻都能輕鬆生存下來。不幸的是,他們通常都被描繪成正當的,而這就有可能把科學的面貌扭曲到無法挽回的地步。」霍金令人詫異的大逆轉(這點你在本書已經親眼見識),粉碎了那種刻板印象。霍金經常扯自己後腿讓本身所提主張站不住腳,這是他根深柢固的習慣。不過我們前面也曾見到,表面上的態度大逆轉,其實也從來都很難算是退步或推翻前述。霍金版蛇梯棋裡面的蛇,並不會帶他遠離目標。牠們完全就是引他踏上更有指望的途徑。即便事實如此,要放棄發現基本統世理論的指望,依然是一種極端劇烈的轉變,除非遇上真正無可辯駁的證據,擔保這是唯一的出路,否則霍金是不會這樣做的。

還有一件事情也是在《偉大的設計》開頭就清楚表達,霍金不再像從前那樣對弦論心懷質疑。很難判定他是在哪個時點,改變對這個議題的態度。進入一九九○年代許久之後,多數文獻(不包括他的)仍舊記述他依然相當反對弦論。然而他卻在一九九○年告訴我(本書第十三章),他認為超弦理論已經成為最有指望導向統世理論的路徑。他說得對,不過其中有個轉折。

最新的候選者,也或許是最有資格冠上「終極宇宙理論」稱號的學說,是M理論。做為一種統世理論,以久經時代考驗的描述來評斷,M理論是有點令人失望。這種理論並不單純。你沒辦法把它印上圓領衫。它並沒有實現惠勒詩文的期許,也達不到畢達哥拉斯的標準,因為畢氏學派認為優美清晰是真理的指標。這是不是就代表理論或許錯了?就此霍金抱持的態度倒不在於它是正確的,或者是終極的,而是認為再怎麼做,我們最多也只能做到這樣。

M理論並不是單一理論,而是一群理論的組合,霍金形容為「理論家族」。這個家族的每個成員,都能針對某個物理情境範疇之觀察結果做出優異描述,卻沒有哪一個能針對所有物理情境之觀察結果做出優異描述。沒有哪一個能說明萬象。這群理論看來或許彼此迥異,卻是全都站在同一個立足點上,而且全都可以設想成同一基礎理論的不同層面。我們還不知道該如何擬出一組方程式,來系統闡釋那個更深層理論,而且照理講也恐怕永遠辦不到。

霍金和曼羅迪諾把這種狀況比擬為地球的平坦地圖。由於這種地圖是以麥卡托投影法製成,因此和世界其他區域相比,偏北和偏南地區看來就比實際更大(你在地圖上愈往北或往南前進,這種變形情況就愈來愈明顯),而且圖上也完全沒有畫出北極和南極,結果整個地球就畫得很不精確,遠遠比不上改用一批地圖,分別含括有限地帶並彼此重疊的做法。地圖重疊的部分完全不相牴觸,不論你拿哪份地圖來查閱重疊的部分,那處地貌看來都完全相同。每份地圖都很可靠,也能有效代表所描繪的範圍,不過任一平面地圖都不能妥善描繪出地球的表面。相同道理,任一理論也都不能妥善描繪出所有的觀察結果。

如今理論學家認定,五種不同弦論和超重力理論(霍金在一九八○年對其中一個版本抱持高度期望)可以共組一個近似理論家族,用來概略模擬更基本的M理論。六個近似理論,就像霍金地圖比喻所述的較窄小地圖。

儘管這種處境或許不能達成我們完整認識宇宙的最理想期望,不過也不必靜坐太久,悲嘆我們蒙昧不識基本的、無所不包的基礎理論。我們確實知道若干相關事項,時間和空間有十或十一個維度,那裡有點狀粒子、振動弦、二維膜、三維物體,而且另有些物體還佔據多達九個(另有些版本認為十個)空間維度。換言之,即P維膜。

前面已經談到有關額外空間維度的觀念,凡是超出我們三維經驗的維度,有可能都捲起,變得非常緊緻,因此我們不會注意到,而且它們能以多得嚇人的不同方式捲起,這點起初還讓期望弦論能成為獨一無二統世理論的人士感到灰心喪志。稍早我們用了一種牽涉到園藝水管的比喻,來幫忙說明捲曲現象,但霍金和曼羅迪諾又找到一種更好的比喻。

他們要我們想像一幅二維平面。舉例來講,那可以是一張紙。那是二維的,因為只需兩個數字(橫座標和縱座標)就能確定該平面任意定點。你大概不會想到,吸管也是二維的。要標出吸管上某一定點,你就必須指出那個點是位於吸管的長度和圓環維度上的哪處位置。不過假定你的吸管非常、非常纖細,你就幾乎不會覺得有必要思索,那個定點是位於圓環維度上的哪處位置。假使吸管極端纖細,直徑只有一英吋的千萬億兆分之一,霍金推想,那麼你根本不會認為吸管有圓環維度。弦論學家就是鼓勵我們以這種方式來設想額外維度:捲起或彎成十分細小的尺度,所以我們不會注意到它們。他們談起額外維度就說它們捲成「內空間」。

從一九九○年代早期到中期,理論學家愈來愈不覺得額外維度為數驚人的捲曲方式會令人洩氣。當時出現一種改變,產生一種新的認識,體認到額外維度的不同捲曲方式,不過就是我們在四維觀測據點用來檢視它們的不同做法。然而,就如林德所做推想,額外空間維度的捲曲方式至關重要,每一處宇宙的表觀自然定律都由它來決定。不論M理論能提出多少種解法,來說明內空間能以哪些方式捲曲,可容許的宇宙類別也就有那麼多種,而且全都具有不同的定律。那個數字大得無從理解。

霍金建議,我們思索這類宇宙的生成時,可以想像某種類似愛丁頓Eddington)之氣球比喻的東西,也就是有螞蟻在上面爬的那種氣球,不過這次不是氣球,而且螞蟻也不見了。二○○六年他在加州理工學院演講時向觀眾建議,可以把膨脹宇宙的面貌想成一個氣泡的表面,接著再想像沸水蒸騰形成氣泡,許多細小氣泡形成之後隨即消失。這些就是只稍微膨脹,還沒有超過顯微尺寸就先塌縮的宇宙。那些宇宙沒有指望形成星系、恆星或智慧生命。不過其他有些剛開始時也同等纖小,卻能增長到夠大尺寸,於是起碼在一段相當久遠的時期,它們都得以避開塌縮危險。這些宇宙一開始就不斷加速持續膨脹,經歷我們所稱的暴脹現象。

《偉大的設計》重溫費曼的理念,從量子物理考量,從一點向另一點移行的粒子在朝向目標接近期間,其本身並沒有確切的位置,如今認為這就表示粒子不採行任何途徑。就如我們前面所見,費曼認為這同樣可以簡單說成,粒子同時採行所有可能途徑。依循這種見解來設想,出現許許多多宇宙的可能狀況,這就是我們探究永恆暴脹時遇上的情況。光說每處宇宙都有一段不同的歷史是不夠的,想想歷史求和,事實上每處宇宙都有許多可能的歷史,而且存續到後來還會出現許多可能的狀態。這許多狀態多半不適宜任何生命存活,只有少之又少的宇宙能夠容許我們這類生物生存。

在所有可選擇的宇宙當中,只有一種是完全均勻又完全規則。我們計算這類宇宙的機率,結果發現確實非常有可能出現。事實上,這是所有宇宙當中最有機會成真的一種,然而那並不是我們的宇宙。像那樣的宇宙永遠不會成為我們的家園,那處宇宙在早期階段並沒有小幅不規則現象,因此如今也不會在宇宙微波背景輻射中顯現出小幅變異。我們的宇宙必須有某些區域比其他區域稍微稠密一些,這樣重力引力才能把物質聚攏,形成星系、恆星、行星,或許還有我們。霍金在二○○六年加州理工學院演講時表示:「宇宙微波背景輻射的微波天空圖像是宇宙間所有結構的藍本,我們是早期宇宙擾動現象的產物。」所幸仍有許多宇宙歷史只稍微有些不均勻和不規則。這類宇宙同樣很可能出現,而且機率和完全均勻又完全規則的宇宙幾乎毫無二致。我們不知道有多少可選擇的宇宙到最後就生成類似「我們」這樣的事物,不過我們知道這種事情確實發生過一次。

另有一種熟悉的概念,同樣在霍金的M理論相關思維中佔有重要地位,依循那項論據,當我們就宇宙的量子層級進行觀察時,不免就要干擾、改變我們試行觀察的事物。還有個更重要,不過我們比較不熟悉的概念則是,不論多麼仔細、完備地觀察現在,我們觀察不到的過去部分,依然像未來那樣同屬未定之天。它有種種可能的存在方式,有些比其他的更有可能成真。霍金把這點和費曼的歷史求和擺在一起考量,歸結認定:「宇宙不是只有單一歷史,而是具有一切可能的歷史,各具自有機率;而且我們對宇宙現有狀態的觀察,還會影響它的過去並決定宇宙的不同歷史。」這種觀點看來並不是完全陌生,我們在前面已經見到霍金和哈妥如何使用歷史求和,來發展他們的無界構想。霍金的思維改變是種重心的轉移,因為他領悟到,我們藉由觀察現在來選定歷史的能力,具有極端深遠的意涵,能大幅影響我們對宇宙的認識。

回頭想想費曼的思考方式,看他如何盱衡一顆粒子從起點到終點,得以採行的所有可能途徑。處理一個宇宙的歷史可不是那麼容易。我們不知道A點(起點),不過就我們自己這處宇宙而論,我們對B點倒是有很深的認識,那就是我們今天所處的位置。霍金要我們考量所有能滿足無界條件的歷史(本身為封閉面且無界的歷史:請回想地球的球面),還有最後成為我們今日所知宇宙(B點)的歷史。A點的幅員相當龐大,不過由於我們設限規定必須滿足無界條件,因此也不能說它們包括以「一切可能方式」開展的種種宇宙歷史。倘若我們從A點開始思索,最後就能得出許多可能的B點,其中有些和我們今天的宇宙很像,不過其他多數並不相像。

霍金推薦採行他的另一種門路,他稱之為宇宙學的自上而下取徑,也就從眼前時間逆向追查,從上向下探究可選擇的歷史。這是新穎的宇宙觀,同時就此而論,也是新穎的因果觀。宇宙並沒有與觀察者無關的獨特歷史。我們身在這裡並且觀測宇宙,就這樣為我們的宇宙創造歷史。我們並不是歷史創造的。

舉個問題來說明,我們所處宇宙為什麼只有四個維度沒有捲起來?M理論裡面並沒有哪種總則規定宇宙必須具有四個可觀測的維度。自上而下宇宙論說明,種種情況都有可能出現,大型空間維度數從零到十全都包含在內。三個空間維度和一個時間維度或許不是最可能的狀況,不過我們只對那類狀況感到興趣。

若採自下而上舊有做法來考量宇宙,似乎就找不出任何理由來解釋,為什麼自然定律是這種狀況,卻不是另一種模樣。為什麼宇宙微調得以供我們生存?不過我們確實觀測到自然定律的現有狀況,而且我們也在這裡。何不就從那裡開始?我們在這裡現身具有極重大的意義。從為數浩繁的可能宇宙當中,我們在這裡現身並遴選能與我們的存在相容的宇宙,同時也幾乎讓其他所有宇宙都變得無關緊要(不過等霍金接著談下去,我們就能得知個中內情)。

有了無界宇宙,我們就不必再問,宇宙是如何開始的。宇宙沒有起點。有了M理論,我們就不必再問,為什麼宇宙微調得以供我們生存。是我們的存在選擇我們棲居的宇宙。實際上宇宙是我們自己微調的。人本原理果真徹底發揮實力。誠如霍金就此所述:「儘管從宇宙尺度來看,我們相當微小又無足輕重,就某種意義而言,這卻讓我們成為創生的主宰。」

這時問題浮現:我們能不能測試這項理論?霍金寫道,或許有些觀測方法能夠區辨自上而下理論和其他理論的差別,還能夠支持或予以駁斥。或許將來會有某些衛星能做那種測量。霍金在二○○六年加州理工學院演講時提到,從事重力波偵檢、測量作業能為我們開啟一種非常早期宇宙的新窗口。重力波和光線並不相同,光線是在宇宙誕生後三十八萬年之時,經游離電子散射多次後才凝結成型,而重力波則是從最早期宇宙傳達我們這裡,完全沒有受到任何中介物質的干擾。

霍金把自上而下的思維延伸到地球出現智慧生命的事例。他提出一項很有說服力的論述,闡明我們的宇宙、太陽系和世界,是如何細微調校得以愈來愈容許我們生存,遠遠凌駕一切合理預期。不過他提出一段無可辯駁的簡明說詞來重申人本原理並告訴我們:「顯然,當一顆能支持生命的星球上的生物檢視牠們周遭的世界,肯定會發現牠們的環境能夠滿足牠們生存所需的必要條件。」就如我們(基於我們存在之實)選擇我們的宇宙,我們也選擇可容我們生存的一種地球歷史,以及我們的宇宙環境。

 

--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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