[心得]宇宙的起源與歸宿 - 聽霍金講萬物之理

這本書是我在天瓏書局買的大陸翻譯書(很不錯的是它還附有原文，繁中版是時報出版的《萬有理論》)，翻譯的文句也很流暢，看起來並不會吃力。這本書原版是2007年出版，由霍金七場演講的合輯，內容力求通俗易懂，因此少了深奧難懂的數學，反而可以透過大師的思維，一窺這萬物之理 (The Theory of Everything, TOE) 從牛頓以來，愛因斯坦一生所追求的理論，在天文物理學領域的進展。

這本書最棒的地方在於從西洋物理學的開端講起，把我們從小就學到的牛頓萬有引力所衍伸出的大問題 － 宇宙為什麼不會因為萬有引力而黏成一塊，並跟現在大家都略有耳聞，現代天文物理學的大爆炸理論 (美國還有影集以此為名) 做連結，展開一連串關於膨脹的宇宙、黑洞、宇宙的歸宿、時間的方向、以及萬物之理的探討。在大師的妙筆下，推動天文物理學不斷演進的廣義相對論、量子力學等艱澀學理，都不再阻擋我們認識這個宇宙，這些物理學家們日夜努力的成果，化成了一則則耐人尋味的故事。我們彷彿搭著作者所駕駛的太空船，跨越時空地優游在無垠 (或是有垠) 的宇宙中。

看完之後第一個感受，是關於對萬有引力的疑問。確實這是個很基本的問題，但我為什麼不會想到呢？如果萬物都會因萬有引力而互相吸引，除非(上帝)非常特別的安排，否則如何能讓宇宙運轉而不會因為相互吸引而撞成一團呢？科學家需要一些理論去解釋它，所以衍伸了許許多多後續的理論，甚至透過天文觀察 (紅移現象)，竟然驚訝的發現宇宙不僅沒有因為萬有引力而不斷縮小，反而是不斷的膨脹當中，大爆炸理論因此成為眾所公認的宇宙起源。

由於霍金以研究黑洞著稱，因此在書中許多篇幅都討論到它。當然，黑洞本身也是天文物理學的重要課題，因為它或許潛藏著宇宙生與死的奧秘。依照霍金在書中的描述，似乎黑洞雖然是廣義相對論的重大預言，但實際上可觀測的證據卻還不夠強。另外，霍金在討論黑洞時導入Entropy(火商)的觀念，從第二熱力學定律說明宇宙的Entropy隨時間不斷增加，因此物質掉入黑洞，似乎Entropy降低，但必然有額外的輻射散逸出來，因此總Entropy仍是不斷增加。從此也可以說明即使在極端的條件下，熱力學的時間箭頭仍然是往同一個方向前進。而在後續的章節，霍金也用電腦儲存0/1資訊雖然是從無序到有序，但事實上為了達成儲存的目的，所耗費的能量增加Entropy卻是比所降低的Entropy要高。他將電腦儲存運算的機制類比人類的心智，也從這邊斷定心理學上的時間箭頭，與熱力學的時間箭頭，都是往同樣的方向前進著。

在談黑洞時，很重要的一點是，黑洞引力中心的奇點，或是大爆炸的起點，依照廣義相對論，密度與曲率都是無限大，所有已知的科學定律都是無效的。這簡直是個麻煩的老鼠屎。為了解決這個問題，在書中霍金轉而談到量子理論，因為在量子理論中無需出現任何奇點。

從這個地方，霍金引出統一理論的可能樣貌，是兼容於費因曼根據歷史求和，並用公式來表數量子理論的思想。『在以實時空為基礎的經典引力理論中，宇宙的行為只有兩種可取的方式，或者它永遠存在，無始無終；或者在過去某個限定的時間，宇宙從奇點有自己的開端。』但『在量子物理中還會出現第三種可能性。因為這時用的是歐幾里得時空，時間方向與空間方向的各方向完全處於同等地位，故時空在範圍上可能是有限的，但並不存在構成邊界或是邊際的任何奇點。時空就像是地球表面，只是多了兩維。地球表面在範圍上是有限的，但它並沒有邊界或者邊緣。』依此無邊界條件的設想，以及量子力學的測不準原理推斷，宇宙行為應該類似於暴漲模型，並可以解釋早期宇宙不均勻的現象。

依據以上的說法，兩大理論 (廣義相對論與量子理論) 在宇宙起源的問題上巧妙的交會，如接力賽一般地建構出我們今日對宇宙的了解。在此 (宇宙的起源與歸宿一章的結語) 霍金話鋒一轉，說道：『如果宇宙確實做到充分自足，不存在任何的邊界或是邊際，那麼它就既不會被創造出來，也不會毀於一旦。宇宙應當從來就是這種樣子。那麼，造物主的位置又在哪裡呢？』這正是最近吵的沸沸揚揚霍金的新書 The Grand Design，被拿出來炒作『上帝不需存在』的題材。原來這個想法，早就在霍金的這本著作 (甚至據說早在《時空簡史》)，就已是昭然若揭的。

最後在＜萬物之理＞一章當中，霍金提到整合廣義相對論與量子力學的測不準原理是統一理論的第一步，使得引力與其他作用力得以統一起來。然而霍金也指出量子理論的一些"無限大"的難題，因此帶出另一個熱門的理論：弦論。弦論是一個曾經風光但又被冷凍起來的理論，直到它有效地證明了超引力的有限性，才又風光起來，後來成為統一理論的熱門候選人。我查了一下，它以不斷振動的一維弦，取代粒子說，並建立了十個(或十一個)維度的宇宙觀，說明引力與時空不過是不同維度的換，由於弦的性質，最小的尺度不會小於浦郎克單位，巧妙地避開了標準模型尷尬零體積的奇點，並成功地整合了引力與其他作用力。然而它的數學非常複雜，而超過人類可知的維度捲曲在無法度量的尺度之內，讓人目眩神怡。霍金在書中預言二十世紀結束前，我們會知道弦論是否能夠成功站上統一理論的王座。但直至今日，似乎這個答案尚未揭曉。

我在看完這本書後，又再上網追加了解弦論的一些說法，一位網友的部落格把弦論做了全面性的介紹 http://blog.udn.com/GolfNut/3144042。一口氣看完，覺得非常的痛快，除了最後這位網友在談空間的裂變，有點卡住寫不下去，所以無法得知弦論在說明宇宙破洞的全貌。這部分我很好奇的原因，是之前曾經在宇宙時間於37億年將終止的文章當中，看到一種說法，就是大爆炸使得宇宙在暴漲的過程往外推移，速度超過光速而形成許多不相連的宇宙泡泡，也就是一個個獨立的宇宙。因此，對於宇宙的破洞相當好奇。

總的來看，主流的宇宙觀，承認宇宙不只一個，即使時間不會倒轉，宇宙的起點終點也不見得是必須存在，而量子力學的不確定原理，卻可與古典理論存在一處，共同解釋宇宙的現象。即使在極小的尺度下，也沒有恆常不變的事物。這樣的宇宙觀，似乎與佛法的宇宙觀，有著高度的吻合。此外，我看到一說，在弦論當中，發現某種極小尺度的引力與極大尺度的作用力有微小的相關性，這讓我不禁有一種假想：心的覺知作用，相同於萬物的作用，若宇宙的變化，是跨越尺度甚至時空而有所關聯，那麼在極為微細的心識作用當中，甚有可能感應宇宙細微的變化，成為不同的念頭現起，這或許便能解釋某些超越時空的神通為何能夠成立。更重要的是，這樣的宇宙觀點醒了我，我們對生命與時空的認識，是多麼的狹隘與侷限。

[新聞] 物理定律若成立，時間有可能在37億年後終結

The universe might have to end in 3.7 billion years so that the laws of physics make sense

[很有趣的新聞，我花了點時間翻譯如下。簡單講，結論是這個說法或許真的 (這個膨脹宇宙的時間將會終結)，也或許是假的 (這麼一來膨脹宇宙理論是有瑕疵的) ]

今日的物理定律僅適用在一個有限的宇宙，但我們很有可能是活在一個無限的多重宇宙中。為了解決這兩者的差距，有50-50的機率，時間將會在37億年後終結。很怪吧！

問題起因在永久膨脹宇宙的理論。這個理論以膨脹宇宙的模型用來解釋大爆炸。在原始的膨脹模型當中，早期宇宙的體積非常迅速地膨脹，宇宙的各區塊外推而造成了不相連的補丁 (patches)。因為他們之間被膨脹中的宇宙推得太遠太快了，以致於你即使用光速也無法從一個補丁飛到另一個。

在這個模型當中，我們可觀測的宇宙只是許許多多（或許是無限多）不相連的補丁當中的一個，而那些不相連的補丁我們永遠也觀測不到。我們需要膨脹宇宙的理論，因為它解釋為什麼我們今日宇宙的樣貌是（時空）平坦且均勻的，但而大爆炸的宇宙卻應該是彎曲且不均勻的。透過膨脹宇宙，可以說整個『大』的宇宙是彎曲且不均勻，而我們平坦且均勻的宇宙只是其中的一小部份而已。

信不信？這只是最簡單的部分。接下來的將稍微困難（可能待會就抓狂了）。永恆膨脹宇宙理論只是眾多理論之一，它主要的論述，是宇宙 -- 不僅僅是我們觀察到的這個宇宙 -- 而是整個膨脹中的宇宙 -- 是一個多重宇宙，其中有無限多由真空相隔的宇宙泡泡。多重宇宙的不同部分可以在任何瞬間突然發生暴漲，而將它們分離成為獨立的宇宙。這樣的過程發生被認為會發生無限多次，且將一直發生下去，因此產生一個無限膨脹中的多重宇宙。. (更多關於永恆膨脹的介紹，可閱讀 this paper by Alan H. Guth.)

這些看起來似乎非常學術性，但要將有限的機率套入無限的多重宇宙便有問題了。在我們有限的宇宙中，我們將某些機率視為平常，比方說，從機率的觀點，你非常不可能贏得樂透頭獎。但在無限的多重宇宙，所有的可能性都會發生，且將發生無限多次，這也就是說將會有無限多人贏得某一次的樂透頭獎，也將有無限多人輸掉它。在有限的層次我們可以理解輸贏的差異，但如果都是無限，那我們如何知道某個發生無限次的事件會比另一個發生無限次的事件的發生機率更高？

很明顯地，物理學家一般不會拿中樂透的機率來計算多重宇宙的問題，但同樣的機率問題卻影響在宇宙中所做任何機率的計算。我們確實了解了我們這個有限宇宙運行的定律，但作者指出，如果宇宙永恆地膨脹，我們將不知道宇宙是如何運行的。

這對一些宇宙觀測實驗是很重要的，因為我們必須知道當觀察到一個現象時，它發生在我們這個宇宙的機率相較於發生在其它無限永恆時空的差異。更廣泛的說，這雖然是一個我們日常生活可以忽略的問題，但不爭的是，我們所熟知支配宇宙的定律在無限多重宇宙是無法立足的。簡言之，這是個『量測（measure）問題』。

為了解決這個量測問題，物理學家試圖切出一部份有限的時空樣本來計算機率，這方面的物理學都用到這個方法，但我們需要知道，基於我們所觀測的宇宙，要維持有限合理機率的計算，最多可容納多少時空樣本？

這是我們得知時間終結的地方。根據 UC Berkley 物理學家 Raphael Bousso 與他的團隊的研究，物理學家為了計算機率所導入統計上的截止點(最大樣本數)，有可能是多重宇宙的真實結構。這是什麼意思？宇宙必須在所有物理定律失去意義前終結，既然統計上時空樣本大小的截止點是可以推知的，那麼這個點可能就是真實宇宙的界限，而在此之外的擴展是不可能的。

現在，如果這個理論是正確的，我們對於這個理論在『空間』部份的計算式應該沒有問題，但『時間』部份則有疑慮。根據Bousso 與他同伴的預估，有50-50的機率宇宙將在未來37億年後終結，因為我們屆時將跨越時空截止點的『時間』的部分。

37億年聽起來像是永恆，從人類的尺度來說。但有許多東西比37億年更老，比方說地球就超過37億歲，而太陽還有50億年才會燃燒殆盡。因為這個理論，我們可能會需要重新解釋至少四集 Doctor Who 的劇情 (新影集)。

所以，宇宙的終結代表什麼？無論是什麼，它會是一種形式的物理災難，但我們不大可能看到它的到臨。我們不可能看到災難在其他地方發生，因為那代表會超前因果 (casually ahead)，但物理學家說這不大可能。最有可能的是這些事都會以光速展開 (或是以某種奇怪的方式整個宇宙同時發生), 也就是我們的後裔將永遠不會看到宇宙燒盡。

Bousso 博士解釋這對物理學而言的意義，並澄清這不是對啟示錄的預言:

"非常重要的是，請了解我們並不是說我們確定時間將會終結的結論 (雖然我們不能排除它可能是真的)。在科學上，這樣的推理通常是有價值的：你了解到你看似合理的理論預測聽來是瘋狂的，因此你必須抓牢它，然後選擇放棄這個理論，或了解為什麼這乍聽瘋狂的事其實並不那麼瘋狂。"

所以，你應該相信它嗎？除非你願意 (或許更重要的是，你是否能夠－我知道我不能) 研究他們的數學推導。這個主要問題是其中比較哲學性的題目。他們的理論的關鍵在於相信宇宙必須是可以解釋的。僅知道物理定律的存在是不夠的，我們還要能夠解釋它們為何存在。 當然，也有另一種感覺比較舒服的哲學觀點，認為物理定律就是這樣，沒有必要多做解釋。

Australian National University 的 Charles Lineweaver 博士質疑這個理論只是將統計學上的把戲換成宇宙的終結：

因為這個問題無法從他們計算當中獲得解決，因此他們做出宇宙必須終止的結論。Bousso 的宇宙平均壽命是一個定數，只因為那是你要取得合理機率的截止點，這種統計學技巧被看得太嚴重了。

但 Bousso 想要澄清他不僅是要爭論宇宙是否會終結 (或是50-50機率會終結)，他與他的研究團隊試圖指出一個物理學上的破洞需要被正視，無論這是否是時間的終止或有其他意義：

"這些截止點已經被頂尖的物理學家使用多年，我們只是要指出我們不能繼續忽視下去。時間的終結在物理學上是無可避免的，因此它需要一個物理(學)上的評斷，而不只是認為它是一個數學的把戲而已。"