重要科學理論探索 霍金為你打開宇宙之鑰

重要科學理論探索 霍金為你打開宇宙之鑰

2012年8月8日 《信報》
吳雄 電視精讀

當今世上最偉大的物理學家、宇宙學家霍金不久前宣布賭輸了100美元，賭贏他的是密芝根大學教授凱恩，霍金當年打賭上帝粒子並不存在，結果愛丁堡教授希格斯發現了它的存在。
上帝粒子的出現，有助重建人類對物質質量的概念，對了解宇宙有巨大幫助。然而，在上帝粒子出現之前，歷代科學家和物理學家也在摸索宇宙的奧秘，在《史蒂芬霍金之大設計：宇宙之鑰》節目內，將回顧人類尋找宇宙之鑰的過程。

尋找宇宙之鑰始於三百五十年前的英國劍橋，時為黑死病橫行的1665年。有個小孩避過死神的追殺，他就是發現萬有引力的科學家牛頓。他最著名的疑問是為何萬物會掉在地上，結果這個簡單的問題改變了人類世界，他悟出宇宙結構深處有股力量，讓所有物質相互吸引，那就是重力；不只是地球上有重力，整個宇宙都有，其強度取決於兩個基本條件，物體的質量和它們之間的距離。牛頓為找出答案發明了全新的數學語言——微積分，今天全世界的科學家仍在運用它，他使後人得以預測所有事與物。

然後出場的是發明彩色照相術的英國科學家馬克斯威爾，他發現磁力和電力的關係對人類了解宇宙的貢獻更大。他發現磁力和電力其實是一體兩面，是一種能量波且同時具有電與磁的性質，他將這種波命名為電磁波。後來，他又意外發現電磁波的速度非常快，秒速為十八萬六千哩，和已確定的光速完全相同，於是得出驚人的結論，光也是電磁波。
馬克斯威爾為了建立電、磁和光的相互關聯，創出四組連續方程式，這堪稱科學史上居功至偉的發現，名為馬克斯威爾定律。這四組方程式支配範圍非常廣，從南北極舞動的極光、到驅動全球的現代電機通訊科技，現代世界幾乎每一台機器，從電腦、發電廠到洗衣機，都根據馬克斯威爾的發現來運作。

十九世紀初，輪到兩名美國物理學家有驚人發現，他們是邁克生和莫里，兩人研究馬克斯威爾的發現和所代表的涵義，也就是光以波的形式行進秒速為十八萬六千哩，他們推想就像水波是能量在水中行進所產生的波，而聲波是能量在空氣中前進所產生的波，因此光波一定也透過某個東西行進，他們把這東西稱為「光以太」。

驚世發現
邁克生和莫里提出宇宙，包含太陽和地球間的宇宙，全都充滿這種神奇的以太。他們相信陽光一定是經由以太來到地球的，而由於地球同樣圍繞太陽運轉，因此地球也一定在以太中運行。若真如此，這種移動就會造成所謂的以太風，以太風吹過地球的表面，邁克生和莫里認為這種以太風，在地球上偵測得到，因此設計一項實驗來測量。

然而，試驗證明他們是錯的，世界上根本不存在以太，但他們起碼證明光是不需要介質的，而光速恆定不變的發現也很驚人。隨之上場的是愛因斯坦，他發現了光本質的深奧真相，也就是狹義相對論。狹義相對論提出彈性現實的理論，因為時間本身就有彈性，這種彈性在物理學上開啟了全新的概念，愛因斯坦繼續主張就像磁性、電力和光線一樣，時間和空間，都在他所謂的「時空」中彼此糾結，而這個時空也有彈性，時空的彎曲變形取決於重物的質量，好比恆星、行星，以及星系；但神奇的是這類變形也可解釋，牛頓多年前所發現的神祕作用力重力，就是時空扭曲的結果。

把這個發現運用在於宇宙探秘上，相當於巨大恆星或行星對時空產生的作用，時空會在星體四周產生扭曲，把物體拉向星體，因此物體才會因為重力墜落地球。愛因斯坦深入研究宇宙結構後看出其深奧的作用原理，在他解釋光速恆定十年後，又發現時空扭曲會產生重力，他的研究讓人類更接近解開宇宙奧秘的關鍵。然而，儘管愛因斯坦開始解開隱藏的宇宙機制，卻仍不完全瞭解其作用原理，他推論光的本質是超快的電磁波，在無垠的宇宙間快速行進，卻無法揭露這些電磁波的本質。

幸好，這項挑戰在1919年由一名德國理論家卡魯扎接棒，他受到愛因斯坦成功解釋重力的啟發，想確定相同的構想能否應用在電磁波和光上，光波是否為較複雜的時空扭曲結果，如同宇宙結構中的波紋。可惜卡魯扎的假想並未受到重視，因為物理學界出現新分支——量子力學。量子世界的怪異程度可用簡單的實驗展現：一束電子穿過兩道裂縫往一組偵測器射出，電子射中偵測器的區域應是裂縫正後方的兩條明亮區塊裏，但實質不然，偵測器不只有測得兩條線，而是很多條，這微小的電子似乎違反物理定律。

打個比喻，好比足球員準備射自由球，他會盡力讓球越過人牆，進而破網，而門將則盡力不讓他如願。但若應用次原子，也就是量子規則，萬物的作用原理就不相同，正因如此，物理學家開始擔憂足球不走可定義的單一路線，而是像電子一樣，任何路線都會選擇，這樣守門員根本毫無勝算，射進入球門後又回復單一實體。次原子世界的混亂與世界其他範疇的井然有序，確實讓物理學界極為困擾，幸好五十年代出現一名對理解隨機性與機率很有慧根的人，那就是費曼。

費曼的主張就如同輪盤上的球會遵守機遇法則一樣，電子也一樣，儘管我們無法肯定預測球會停在哪個號碼上，卻仍可計算出機率，機率正好是1/37，費曼利用機率推出奇特的規則，可算出特定量子事件可能的結果。

此後量子世界總算馴化，科學界也才免於分崩離析，費曼幫了物理學界一個大忙：發現量子世界可預測。這讓物理學家們得以重新挖掘宇宙之鑰，物理學界此時轉而探究微小世界中的狀態與無垠宇宙間的關連，做法是重新研究長期未受重視的德國物理學家卡魯扎的理論。

宇宙定位
物理學家們開始思考自然界中某些極微小的物質，原子內部世界裏的電子繞着由其他粒子組成的原子核轉，那些粒子稱為中子和質子，而中子和質子裏面還有更小的夸克，物理學界稱夸克的組成結構為「弦」，是更細微的時空扭曲物質，它們就像小提琴弦，可藉震動產生不同音符，每個次原子世界中的弦，也可藉震動產生不同的基本粒子，而就是這些極小粒子，賦予人類所處宇宙的形貌。以卡魯扎和愛因斯坦的構想為基礎，弦理論指出弦的震動，可對時空造成規模極小的輕微扭曲，不過是以10維空間的方式進行。

弦若往某一個方向震動，就會產生某種基本粒子，比如夸克，而若往另一個方向震動，則會產生微中子，這是另一種粒子。但關鍵來了，弦理論可能可以解釋這些粒子，為何能精準地以現有方式互動，如一首樂曲一樣和諧，這就是物理定律的起源，主宰宇宙萬物的定律。從黑洞的運動模式，到恆星的誕生與毀滅，即使是單純地一卷紙掉落地面，或是指北針的擺動，最簡單且最基本的作用力，都受弦理論的規則支配，目前弦理論共有幾種不同版本。
這些不同版本統稱為M理論，似乎沒人知道M的涵義為何，可能表示「主宰」、「奇蹟」、或「奧秘」，或者三者兼而有之。儘管還沒有確切的結論，M理論已提出一項值得注意的預測，我們的宇宙並非世間唯一，還有更多的宇宙。從牛頓和馬克斯威爾以來，物理已有長足進步，這個時代可成為歷史轉捩點。霍金和同事一直在思索弦理論如何解釋人類在宇宙間的定位，弦理論提出的一項驚人預測是，宇宙的數量理應高達上兆個，也許宇宙的總數比已知宇宙間的恆星總數還多。

弦理論的弦就像弦樂四重奏演奏的音符一樣，弦每次震動，都會產生基本粒子和自然力，兩者結合後進一步生成宇宙萬物，當然四重奏可以用不同的震動音符來演奏不同的曲目。從數學的角度看，不同的旋律會產生不同的粒子和自然力，也就是不同的宇宙，再變又會產生另一個宇宙，就像旋律有無限可能一樣，因此人類的宇宙必定只是幾十億個宇宙的其中一個，我們無法看見，只是因為它們已超出人類宇宙的極限。每個宇宙都有各自的歷史和特性，有些因不穩定而又崩毀回復原狀，有些並未生成為恆星或行星，因此既陰暗又寒冷，有些則會膨脹，不斷生成類似我們的恆星和星系。

因此，宇宙之鑰似乎就是費曼提出M理論，它解開了宇宙背後的設計。《史蒂芬霍金之大設計：宇宙之鑰》將於本周日晚上在Discovery頻道播出，讓觀眾了解宇宙的由來和人類的未來，也向協助我們尋找宇宙之鑰的科學家們致敬。

撰文：吳雄
walterng@hkej.com

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首次接觸量子物理是閱讀曹天元的《上帝擲骰子嗎：量子物理史話》。作為從未讀過理科的在下，大半內容都看不懂，不停的問人、 查Wiki，十分艱辛才啃完，但自覺終於對物理的來龍去脈有個概念。後來讀霍金的《時間簡史》，有了《上帝》的經驗，這次較順暢，也許是霍老刻意寫的淺白了一些，有很多概念並沒有講得很深入。現在進一步挑戰《The Grand Design — 大設計》，而且是英文版，希望不會拖得太久才完成。