天文太空

多重宇宙真的存在嗎?

以目前科學的發展,要證明平行宇宙不但存在,而且性質與我們宇宙大相逕庭,大概還力有未逮。

撰文/艾里斯 ( George F. R. Ellis )
翻譯/李沃龍

天文太空

多重宇宙真的存在嗎?

以目前科學的發展,要證明平行宇宙不但存在,而且性質與我們宇宙大相逕庭,大概還力有未逮。

撰文/艾里斯 ( George F. R. Ellis )
翻譯/李沃龍


重點提要

■平行宇宙的想法是在1990年代,從科幻小說躍入科學期刊。許多科學家宣稱,在我們可見的視界之外,存在著不可勝數的其他宇宙,且各自擁有獨特的物理定律。這些宇宙統稱為多重宇宙。

■麻煩的是,天文觀測不可能看見這些宇宙,那些論證也頂多是間接推測。即使多重宇宙真的存在,它也是深邃而不可解的謎團。


過去10年,宇宙學家一直關注著這項不尋常的宣告:我們周遭可見的膨脹宇宙並非唯一的,另有億萬個宇宙同時存在。宇宙不只有一個,因此應該稱之為多重宇宙。事實上,不論是在《科學人》的多篇文章,或是格林恩(Brian Greene)最近出版的新書《隱藏的真實》中,都有重要的科學家提及所謂的「超哥白尼」(super-Copernican)革命。在這種觀點中,我們的行星只是眾多行星之一,甚至在宇宙的尺度上,我們所居住的宇宙也是微不足道的──它只不過是眾多宇宙之一,而且每個宇宙各不相同。

「多重宇宙」這個名詞有幾種不同意義。天文學家可觀測到最遠的天體距離約420億光年,而這個範圍就是我們可見宇宙的視界。當然,我們沒有理由認為宇宙僅止於此,畢竟在此界限之外,依舊可能存在許多(甚至無限多)個和我們所見極為類似的區域。每個區域在一開始所擁有的物質分佈都不同,但作用其中的物理定律則完全一致。今天,幾乎所有宇宙學家(包括我)都接受鐵馬克(Max Tegmark)所說的「初階版」多重宇宙。但有些人想得更多。他們認為,這世上還有許多擁有不同物理定律、不同歷史、甚或不同空間維度等性質迥異的宇宙。雖然有些宇宙生趣盎然,但大多數宇宙則了無生機。維蘭金(Alexander Vilenkin)是這類「進階版」多重宇宙的主要倡議者,他構思出一幅極富戲劇性的景象:在無限多個宇宙裡,擁有無限多個星系與行星,甚至有無限多個擁有與你相同名字的人正在閱讀這篇文章。

許多古文明都曾有類似的說法。但不同的是,這項新說法斷言多重宇宙是個科學理論,這意味著它在數學上是嚴謹正確、可用實驗驗證的。我對這項宣告抱持懷疑的態度,我並不認為其他宇宙的存在經過證實或終將得到證實。多重宇宙的倡議者不但擴充了我們對物理真實性的概念,同時也重新定義了「科學」的涵義。


視界之外

多重宇宙進階版的支持者提出了各式各樣的假說,來解釋如此大量的宇宙如何形成、又位於何處。它們可能如古斯(Alan H. Guth)、林德(Andrei Linde)等人提出的混沌暴脹模型那樣,座落在遙不可及的空間區域裡;也可能像斯坦哈特(Paul J. Steinhardt)與涂若克(Neil Turok)的循環宇宙所預言的,存在於不同時期的宇宙演化進程中。它們還可能如杜其(David Deutsch)所設想的,存在於與我們相同的空間裡,卻位在不同的量子波函數分支上;它們甚至可能像鐵馬克與希阿瑪(Dennis Sciama)所構思的那樣,完全不與我們的時空相連而沒有確切位置。

其中,混沌暴脹是最讓大眾接受的理論,因此我將專注探討這個學說;不過,我絕大多數的評論也適用於其他說法。混沌暴脹認為,整個空間都是無限膨脹的空腔,而量子效應會像小孩吹氣球般不斷製造新的宇宙。暴脹的觀念得回溯到1980年代,現在科學家運用「弦論」這套最完善的自然理論來詳述它。弦論容許每個宇宙泡彼此迥異。實際上,每個氣泡裡的生命不僅發軔於隨機的物質分佈,甚至連物質的種類也是任意的。我們宇宙中含有電子與夸克等粒子,並透過電磁力等作用力相互作用;其他宇宙則可能擁有型態大異其趣的粒子與作用力,也就是說,不同宇宙具備不同的物理定律。這整套得以存在的區域性物理定律就稱為地景(landscape)。在某些弦論學派裡,地景的數目龐大無比,造成極為驚人的宇宙多樣性。許多談論多重宇宙的物理學家,特別是那些倡議弦論地景的學者,其實並不在乎平行宇宙的本質,反對多重宇宙概念的意見根本不重要。他們理論的存亡取決於其自洽與否,且希望最終能由實驗檢測。他們為理論假設了一個多重宇宙的背景,卻不理會這樣的背景從何而來,但這是宇宙學家最在乎的事。對宇宙學家而言,所有多重宇宙學說的基本問題,都與宇宙可見的視界有關。由於訊號只能從宇宙開始的那刻以有限的光速朝我們而來,因此限制了我們能看見的最遠距離。然而所有的平行宇宙都位於我們的視界之外,無論科技如何精進,我們都無法看見。事實上,由於距離太遠,它們對我們宇宙並不會產生實質影響,這就是多重宇宙狂熱者所宣稱的效應,都無法直接證實的原因。

多重宇宙的倡議者告訴我們,我們可以從視界之內得到的數據,來預測比我們的宇宙視界還遠上1000倍、10100 倍、101000000倍,甚至無限多倍的地方會發生的事情。這是一種極不尋常的外延推論。或許宇宙在非常大的尺度上是封閉的狀態,那就沒有所謂的無限遠處;或許物質在宇宙中的分佈範圍是有限的,因此超出某個範疇後便只剩下無止境的空虛;又或許約束宇宙界限的奇異點就是時間與空間的盡頭。由於我們永遠不會擁有這些區域的資訊,我們根本無法得知那裡發生了什麼事情。


七項有疑問的論證

多重宇宙的倡議者大多是謹慎小心的科學家,他們非常明白這個問題,但依舊認為可以有根據地猜測那裡的狀況。他們的論證可分為七大類,但每一類都有一些問題。

空間是永無止境的。我們的宇宙視界之外還有空間,而許多區域就位於這些空間之中,這是大家都能同意的。假如這種狹義的多重宇宙確實存在,我們便可從已知之事推廣至視界以外的未見區域,但區域越遠,推論的不確定性就越高。不難想像,在我們不可見之處,可能會發生其他的物理等更複雜的變異。這種從已知推論到未知的問題在於,沒人可以否定你。科學家如何確定他們對不可見時空區域的預言圖像,是來自可見區域的合理推論?在其他宇宙中,物質分佈的初始狀態,或是基本物理常數的數值(例如那些決定核力強度的數值),是否可能不同?依據你的假設,你可得到任何想要的結果。

由已知的物理預測其他區域。現有的統一理論預測了純量場的存在,它跟磁場很像,充斥整個空間。這種場應可驅動宇宙暴脹,並不斷製造出新的宇宙。這些學說雖有堅實的理論基礎,但那些場的本質仍屬未知,也尚未證明它們存在,遑論測量它們的性質。更重要的是,物理學者仍未證實這些場的動力學特性會導致不同的物理定律,然後運作於不同的宇宙泡中。

預測有無限多宇宙存在的理論,通過了一項重要的觀測測試。宇宙微波背景輻射(CMB)揭露了宇宙早期熱膨脹時期結束時的樣貌,暗示了我們的宇宙確實經歷過暴脹。不過,並非所有種類的暴脹都能永續下去,甚至製造出無窮的宇宙泡。天文觀測尚未確認我們所需的暴脹種類。斯坦哈特等宇宙學家甚至認為,無限暴脹造成的背景輻射樣態將與我們所見的不同。林德等人則不認同這種想法。誰才是正確的呢?這完全取決於暴脹場假設的物理特性。

精準調節的基本常數,適合生命生存。我們宇宙有項驚人的事實:基本物理常數的數值容許生命等複雜結構存在。溫伯格(Steven Weinberg)、芮斯(Martin Rees)與色斯金(Leonard Susskind)等人主張,只要奇特的多重宇宙存在,就能為此巧合提供簡潔有力的解釋:如果所有可能的數值都會發生於夠多的宇宙裡,就一定能找到適合生命的數值組合。特別的是,這項推理已被拿來解釋造成宇宙加速膨脹的暗能量密度。我同意多重宇宙是對此密度的一項可能解釋,也是目前唯一奠基於科學的選項。然而,我們還是不可能藉由觀測來檢驗它,甚至大多數分析還假設,每個地方的基本物理方程式都相同,只是常數不同。但如果我們認真看待多重宇宙的理論,就不該有此設限。

基本常數符合多重宇宙的預測。這項論證改進了上一項論證,認為宇宙不會為了讓生命生存而精確調節。支持者計算了各種暗能量密度出現的機率,密度越高,可能性越大,但該宇宙也越不利於生命存在。我們觀測到的數值應剛好落在不適合生命的界線上,而情況似乎確實如此(見右方〈大小合適嗎?〉)。這個論證的錯誤在於,如果沒有可以應用機率概念的多重宇宙,這項機率論證就無效。也就是說,這項論證在進行之前便已設定了預期的結果;如果只有一個宇宙真實存在,此論證顯然就不適用。機率可以檢驗多重宇宙的學說是否一致,卻無法證明它存在。

弦論預測了宇宙的多樣性。弦論原本是用來解釋萬物的理論,現在卻成了凡事皆可能發生的理論。目前的弦論預測我們宇宙的許多基本性質,都只是單純的偶發事件。因為如果宇宙是獨一無二的,這些基本性質似乎就很難理解了。例如,我們所擁有的物理,竟能剛好具備這些極度受限的性質,讓生命得以存在,這要怎麼解釋?但假如宇宙並非唯一的,就很好理解了。這些物理特性並非經過精挑細選,只不過恰好發生在我們這個宇宙裡。倘若我們生存在別處(大多數地方生命都不可能存在),將觀測到不同性質。但弦論並非經過實證的理論,甚至不是完整的理論。如果我們能證明弦論正確,這項理論預測就會是多重宇宙合理且具實驗基礎的論證,但我們目前還沒做到。

凡可發生之事皆會發生。當我們試圖解釋大自然為何選擇遵循某些特殊定律時,有些物理學家和哲學家推測,大自然其實從未做過這類選擇:只要是想得到的定律,就一定適用於某處。這種想法部份受到量子力學的啟發,正如葛爾曼(Murray Gell-Mann)那令人難忘的見解:只要沒被禁止的,就必然會發生。粒子會採行所有可能的路徑,我們看到的則是所有路徑機率加權平均的結果。或許這也發生在整體宇宙,這就意味著多重宇宙的存在。不過,天文學家不可能觀測這種機率的多重性,甚至無從得知機率的大小。面對某些未經證實卻能產生決定性影響的系統化原則或架構,我們只能搞清楚這項說法的意義,例如鐵馬克倡議的,所有可能的數學結構必須擺在某種物理領域內來理解。但我們完全不清楚這項原理要求的宇宙是什麼樣子,只知道一定得包括我們身處的世界。我們也無從證實這類系統化原則的存在或性質。從某方面看來,這是吸引人的主張,但它對真實世界的應用,純屬臆測。


缺乏證據

雖然缺乏論證,宇宙學家仍對平行宇宙提出了各種實驗檢測。例如,假設我們的宇宙曾與混沌暴脹學說預測的宇宙泡碰撞,CMB就可能帶有該宇宙泡的痕跡。在一個無盡循環的宇宙裡,CMB也可能保留著大霹靂之前的宇宙遺跡。這些確實是取得其他宇宙真實證據的方法,有些宇宙學家甚至宣稱看到這類遺跡了。不過這些宣告爭議頗大,而且許多假設上可能存在的多重宇宙並不會留下這類證據。因此,觀測者只能檢驗某些類型的多重宇宙模型。

第二種觀測檢驗是尋找基本常數的變化,畢竟這些可證實的物理定律,並非一成不變的假設。某些天文學家宣稱已發現了這種變化,但大部份的人認為這證據仍舊可疑。

第三種檢驗是去度量可觀測宇宙的形狀,究竟是球狀的(正彎曲)、雙曲面狀的(負彎曲),還是「平坦的」(無彎曲)?由於球體屬於封閉形態,體積有限,因此多重宇宙的學說一般預測的是非球狀的宇宙形態。不幸的是,這並不是一項徹底的檢測。超出我們視界部份的宇宙,形狀有可能與可觀測的部份相異;況且,並非所有多重宇宙的理論,都排除球狀幾何的存在。

宇宙的拓撲是較佳的檢驗方式:它是否彎曲成甜甜圈或脆餅的形狀呢?若果真如此,宇宙的大小必然有限,能排除大多數版本的暴脹模型,特別是基於混沌暴脹的多重宇宙學說。這種形狀將在天空中產生不斷循環的圖案,例如發生在CMB上的巨大圓圈。天文學家還未找到這類圖案,而這項空空如也的成果無法做為多重宇宙存在的證據。

最後,物理學家或許希望能夠證明(或排除)某些多重宇宙的理論。他們可能會發現反對混沌版暴脹的觀測證據,或是根據數學或實驗上的不一致,強迫他們放棄弦論地景。這種情況雖不至於完全破除多重宇宙的概念,但勢將損毀大部份支持此概念的動機。


太多搖擺的空間

總之,多重宇宙並無定論。基本原因在於此說法的彈性太大:它比較像是個概念,而非定義明確的理論。大多數的提案都是由不同觀念拼湊而得的,並非連貫的整體。無限暴脹的基本作用,並不會使多重宇宙中的不同區域擁有不同物理定律;它必須結合另一個假設性的理論,才能達到那種效果。雖然這兩者是相容的,卻不一定相伴發生。

證明多重宇宙的關鍵步驟,是從已知推論到未知,從可檢驗的推論到不可檢驗的。你選擇怎樣的推論,決定了獲得的答案。由於多重宇宙論可以解釋幾乎所有事物,任何觀測都可容納於某些版本的多重宇宙中。實際上,各式各樣的「證明」都建議我們應該接受理論的解釋,不再堅持觀測檢驗。然而這種檢驗已是科學工作的基本要求,放棄這項堅持就得承擔後果。假如我們縮減了對扎實數據的要求,便是削弱了幾個世紀來科學成功的核心原因。

現在,能對某個範圍的現象提出統一的解釋,當然比用分散論證拼湊起來的大雜瞺去解釋來得重要。倘若統一的解釋假定平行宇宙這種不可觀測實體的存在,我們或許不得不接受。但關鍵議題是,究竟需要多少無法驗證的東西?特別是,我們假設的東西,是否比亟待解釋的現象還多?在多重宇宙的情況中,我們假設了數目驚人的不可觀測實體,以解釋一個現存的宇宙,這並不符合14世紀英格蘭哲學家奧坎提出的判準:「如無必要,勿增實體。」

多重宇宙的倡議者最後還有一項論證:我們沒有更好的選擇。但是,倘若這項論證是最佳解釋,即便它就跟不斷增生的平行宇宙一樣令人反感,我們還是得接受;反之,若我們想放棄多重宇宙,就需要替代方案,它的外延推論取決於我們準備接受什麼解釋。物理學家總希望自然定律是不可避免的(因為沒有別的可能,事情必然如此),但我們無法證明這一定正確。此外,我們還有其他選擇。這宇宙可能恰好就生成那樣。或從某種意義而言,事情就是這麼成了:存在的背後,有某種目的或意圖在支撐。科學無法判斷哪種情況才正確,因為這是形上學議題。

科學家提出多重宇宙,以解答存在本質的深邃議題,但這項議題最終依舊未能獲得解決。所有和宇宙相關的討論,也會出現於多重宇宙之中。假如多重宇宙真的存在,那究竟是出於必然、偶然或是有目的呢?這是個形上學問題,沒有任何物理理論可以回答。

我們必須堅守一項觀念:科學的核心在於經驗檢測。無論我們假設的實體是什麼,我們需要和它有某種因果關係,否則對此實體就沒有任何限制了。這種聯繫不一定要非常直接。如果有個實體是無法觀測的,但它對於其他已經證實的實體性質是絕對必要的,其存在就可視為通過驗證。但對整個解釋的體系而言,之後還是得提出存在的直接證據。我向多重宇宙支持者提出的挑戰是:你們能否證明不可見的平行宇宙對於解釋我們確已見到的世界,是不可或缺的?兩者是否有本質上不可避免的連結?我抱持的懷疑態度讓我認為,對於多重宇宙的思考,正是反映科學本質與存在終極本質(我們為何在此?)的絕佳機會。它會帶來嶄新而有趣的見解,會是個成果豐碩的研究計畫。我們需要開放的心靈來面對它,但也不需開放過頭。它是值得一探究竟的精妙景致。平行宇宙可能存在也可能不存在,此案尚待證實,而我們只能與這樣的不確定性共存。具科學基礎的哲學探索沒什麼不對,多重宇宙的學說正是如此。不過,我們應該給它一個名實相副的地位。


更多相關文章

2017年11月189期減重不能只算熱量 雜誌訂閱

本期最新文章