2013年9月30日 星期一

無中生有的宇宙 (A universe from nothing)


還在教書那幾年,有一個轟動學界的大新聞,物理學家霍金 (Stephen Hawking) 在《Playboy》中接受訪問,談的正是宇宙如何創生。那時候學界真是又驚又喜:驚的是《Playboy》居然會談這麼正經八百的話題;喜的是《Playboy》從此有理由放入圖書館採購清單了。

現在宇宙的圖像對我們是越來越清晰。宇宙的年齡是 137.2 億年。注意,這是四位數的精準,不再像以前模糊的約 140 億年。它始於一次大爆炸 [1],然後先經急速膨脹,至今仍持續加速膨脹。支持這個理論的證據也很明確:一是2.7 K的宇宙背景幅射 (cosmic background radiation) [2]。以前用天線接收電視時,在沒節目時螢幕顯示的黑白斑點有 1% 就是來自於宇宙背景幅射。二是哈伯 (Hubble) 所觀測到的各星系正在持續遠離之中 [3]。三是宇宙中輕元素的豐度 (light element abundance)。如果宇宙始於大爆炸,宇宙中輕的元素諸如氫、氦、鋰的豐度是可以預測的 [4],氫約佔 3/4、氦約佔 1/4、還有一點點的鋰。今日所觀察到的宇宙正是如此。三個支柱,鐵證如山。

我們在夜間仰望星空,讚道:「天空多麼希臘」,看到的顯然是可見物質 (visible matter)。可是如果觀察星系中的個別星體運動,發現星體的運動速度快的超過預期,不是可見物質所產生的重力吸引力所能維繫的。所以必然有些黑物質 (dark matter) [5] 存在,也貢獻了重力吸引力,才能維持我們所見星體的快速運動。如果宇宙只有可見物質及黑物質,由於這些物質均有重力引力,宇宙膨脹的速度勢必會因這些引力而逐漸減速下來。然而自 90年代後,觀測到的是宇宙膨脹的速度還在加速之中。這需要其它的機制來解釋,黑能量 (dark energy) [6] 於是嫣然上場。黑能量基本上是產生斥力 (或者是負壓),將星系彼此推離。以現今觀測到的現象來推估,宇宙中的總能量只有 4.9% 是可見物質 (記得質能轉換式 E=mc^2!)26.8% 是黑物質,68.3% 是黑能量 [5]。如果宇宙持續如此膨脹,將來各星系會繼續遠離。我們的本星系乳道銀河 (Milky Way Galxy) 將與仙女座 (Andromeda) 碰撞,融為一體,但這也是我們將來唯一可見的星體。其它的終將離我們遠去,不復可見。這是我們最近期的宇宙圖像。

所以進程、現況以及歸宿都有了。現在最精彩的來了,這一切是如何起始的?如果以哲學的方式發問,問題會是:「什麼是第一因?」物理學家現在的理論是無中生有,Make something out of nothing! 宇宙原始於空無一物,總能量為零。也許首先會被挑戰的是能量守恆。有物質當然是有正能量,但是物質間的重力引力是負能量,將這些能量相加減,還是維持零能量,這就是無中生有的秘密。那麼空無一物的「真空」又如何會觸動這平地一聲雷的大爆炸?答案是量子漲落 (quantum fluctuation) [7]

量子漲落是量子理論的最精彩呈現。在量子現象中,即使是真空中也可以併生出一些虛擬粒子,進而造成實質物理效應。這些效應是可以實際被觀察到的。譬如 Casmir effect [8],兩片平行金屬板置於無外加電場的真空之中。照古典電磁學,這兩片平行金屬板應該屹立不動。但是量子漲落產生虛擬光子 (電磁場),因而對這二片平行金屬板產生了推、拉的效應。霍金也是以這樣的機制來構想他知名的黑洞幅射 (black hole radiation) [9]。而霍金在《Playboy》中受訪的正是以量子漲落來解釋如何無中生有。要注意的是,宇宙大爆炸之前真是空無一物,連空間和時間都沒有。

書中的前 2/3 的篇幅清楚的解釋了 state-of-the-art 的宇宙觀,讀來愉快。書中的後 1/3 漸入哲學、甚至神學層面。譬如為什麼我們的宇宙為何如此平坦,我們又為何剛好可以觀測到黑能量?這時惱人的字眼如人擇原理 (anthropic principle) [10] 就開始出現了。至於神學,作者當然是計較宇宙如何創生,用字不算委婉。有宗教信仰的人,viewer discretion is advised

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