天文太空

多重宇宙的多重觀點

華人學者如何看待多重宇宙這樣奇特的科學概念?

撰文/採訪╱郭雅欣

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多重宇宙的多重觀點

華人學者如何看待多重宇宙這樣奇特的科學概念?

撰文/採訪╱郭雅欣


吳俊輝:有一分證據講一分話,不先入為主評斷對錯。


關於多重宇宙的討論最近又熱起來,這和霍金與曼羅迪諾的新書《大設計》所倡議的M理論創世論同樣令人玩味,其中所觸及的共同議題,便是宇宙創始和平行宇宙的概念。儘管1980年代古斯在提出宇宙暴脹理論時,即已經有關於平行宇宙的科學探討,但如同企圖統一眾弦論的M理論一般,過去這10多年來的平行宇宙風,已逐漸趨近於形上層次的討論,帶有哲學意味,我們幾乎不可能從觀測去探討這個範疇,至少最近一個世紀內都不太可能,除非有人能如愛因斯坦般精明,可以突破這層迷霧。

有些學者對於這些論點是否能用向來以經驗法則為立論基礎的物理學來探討,抱持著保留的態度,而視它們是較偏數學的問題,畢竟這些理論的架構其實都是需要靠縝密的數學推演來建設的。這些關於創世或平行宇宙的立論,多少帶有一點哲學的意涵在內,但與空談不同的是,它們都有一定的數學形式可以討論,我會把它當成是跑在時代尖端、發揮科學創意的一種「科學行為」吧!它不全然是哲學,因為它有數學的形式可以進行邏輯推演,甚至可以進行科學預測,只是在現階段沒有辦法驗證。有人戲稱這些是理論物理學家或數學家的「玩具」,無聊的時候可以拿來算,而其中許多的計算結果,我們恐怕再一個世紀、甚至十個世紀都沒辦法驗證,或說在現居的宇宙裡無法進行實測。

如果愛因斯坦相對論中關於光速是常數的公設是對的,那我們所能接觸到的宇宙範圍就會受限於一定的大小,以致無法探索其外的世界,更遑論平行宇宙的探索。但或許有一種跳脫此限的可能,那就是製造以黑洞為基礎的蟲洞,也就是只要能產生夠大的能量讓時空極度扭曲,我們的宇宙就有機會與原本素昧的其他宇宙連接,就如同科幻小說中的情節一般,製作出一座連結兩個不同時空點的橋樑。不過要製作出蟲洞,理論上以目前人類科技所及的最高能量而言,還望塵莫及。

近幾年我跟美國史丹佛大學合作,想用間接的方法觀測早期宇宙誕生及演化時所留下的副產物。我們的方法是測量宇宙微波背景輻射的B模偏振,用以偵測其中的重力波殘影,而重力波有幾個理論上的可能來源,包括宇宙早期的暴脹過程、前世宇宙,以及本宇宙與平行宇宙的交互作用。但畢竟這是間接的偵測方式,即使是成功觀測到重力波的足跡,也很難全然確認它的來源。

若以物理學家自居,我對任何研究領域的態度都一樣,就是有一分證據講一分話,不會先入為主評斷或預測特定理論的對錯。回顧科學文明的演進,人類不都是一直在犯錯中進步?!以較好的理論取代錯的理論,以求更貼近所觀測到的自然法則,但,卻永遠不可能找到真理。

 ──吳俊輝是台灣大學物理系教授,研究專長為現代宇宙學。


林世昀:多重宇宙在邏輯上沒什麼缺陷,只是拿來當科學理論是有問題的。


正如艾里斯〈多重宇宙真的存在嗎?〉所說的,多重宇宙說可以分成好幾類,受歡迎和可質疑的程度各有不同。色斯金的多重宇宙說是從弦論得出的結果,不喜歡的人比較多,甚至有人認為這是把弦論的弱點或失敗之處拿來當賣點。它估計會有10 500 個宇宙解,可能性都一樣高,於是這個數字被一些人拿來當笑話,因為這樣的理論沒有預測能力,一個沒有預測能力的理論還可以叫做物理理論嗎?

而且,由於這些解在弦論的架構下無法選出來哪一個特別好,所以有些多重宇宙的支持者乾脆就認定每個解所對應的宇宙都存在,只不過在我們這個宇宙裡,物理定律、常數剛剛好是如此,結果產生了人,才會有「人」去想到這樣的事情;別的宇宙有別的數字和定律,不會產生人,也就不會有人煩惱這個事情,這就是「人本原理」。但物理學家對人本原理是有戒心的,因為它可能成為我們停止追問自然本質的藉口。

其實多重宇宙的說法我們不能說是對是錯,它在邏輯上並沒有什麼缺陷,只是拿來當科學理論的話是有問題的。因為我們傳統上會認為科學理論必須是可以驗證的,或說在未來有否證的可能。比如說黑洞,雖然我們現在無法驗證它的理論,但是在觀測上我們已經有幾個候選的目標,例如銀河系中心,或是爆炸後缺乏支撐力的大型天體,最後會演化成黑洞,至少在現在或是未來,有觀測支持或否定它的可能性。

而多重宇宙雖然是用科學理論加上「合理」條件推得的結果,但因為我們根本不可能觀測到其他的宇宙,所以基本上無法否定或支持。以這個角度來看,這樣的學說和許多古文明中多重天的說法,其實沒有太大的差別。

即使是弦論先驅色斯金也說,他只是運用弦論當做描述宇宙現象的工具或框架。他並沒有把弦論、多重宇宙說或是人本原理當做最後的真理。

就個人的觀點,我認為多重宇宙自古以來都是一個很有趣、可以吸引大家目光或刺激討論的話題,但是不必太過投入。人生苦短,我會把大部份的時間花在思考更有機會否證的問題上頭。

──林世昀是彰化師範大學物理系助理教授,研究專長為量子資訊、重力理論。


林豐利:我們是否應該去挑戰原本熟悉的圖像?


弦論會引導出多重宇宙,我認為是很自然的結果。事實上,這論點早在1980年代就有了,但那時候我們對弦論可能的真空態了解不多,只能說有多少個弦論的真空態可以得到標準模型,但無法告訴你這些標準模型裡的耦合常數值,而這10年來最大的突破,就是我們現在除了能夠告訴你有多少個真空態,還可以告訴你每個真空態的宇宙學常數、耦合常數多大。但我不覺得多重宇宙就一定存在,雖然我也相信弦論是終極理論,但我不確定真的必須用多重宇宙來解釋,或許我們會找到更好的方法可以得到唯一的真空。

艾里斯的質疑主要在於我們對「科學」的認知,這也點出大部份人對弦論地景的質疑,過去認為科學要能預測,但地景只能預測圖像,而且無法否證它。其實色斯金提出了一個很好的預測:如果有多重宇宙,那麼我們的宇宙將是開放的。(一般把宇宙分成開放、封閉、平空間的。)這是我所知道最明確的預測,但宇宙學家至今仍無法回答我們的宇宙是開放還是封閉?宇宙總能量密度參數如果等於1,就是平的,小於1是開放,大於1是封閉,但是現在測到的宇宙總能量密度參數是0.999......,加上誤差範圍之後可能大於1也可能小於1。當然就算數字能精確到確認宇宙是開放的,也不能推斷多重宇宙的存在,但是連這樣的精確度都做不到了,更不用說有什麼直接的證據可以看到多重宇宙。

我們現在探討的問題其實已經遠超過目前文明所能驗證的,我個人也認為弦論在現階段還不是一個實證科學,但做為一個科學前沿理論,它是很漂亮的架構,而且是很有用的。在過去20年來,它提供了我們對很多事情的新看法,有時是直接對實驗科學產生衝擊的。

我很喜歡色斯金在文章內的說法,他思考的是本質性的問題。過往我們覺得只有單一宇宙,我們看到的東西就是全部;但是現在,我們看到的可能只是很多宇宙之一而已,那就改變了我們對本質的理解。像色斯金這種高度的人就會思考比較深的哲學問題:我們是否應該去挑戰我們原本熟悉的圖像?如果換一個角度看,也許會看見一個新的視野。

──林豐利是台灣師範大學物理系教授,研究專長為弦理論與量子資訊。


賀培銘:學術研究的對象,總是還未完全被確定為科學事實的問題。


如果說弦論「導出」多重宇宙的結果,用字可能太強烈了。我們應該先大致了解如何用弦論解釋我們現在所看到的物理世界(比如說「膜世界」的模型是不是正確的?),再去試試看能不能「導出」多重宇宙的結果。有些弦論學者做了一些大膽的猜測,這些猜測的結果有可能是對的,也可能適用於目前大部份以弦論解釋物理世界的模型,至少我也還想不出來有什麼必然的原因可以否定他們的猜想。不過應該還不能把這些猜想當做已經驗證的結果,也有不少弦論學者並不喜歡這個研究途徑。

艾里斯在〈多重宇宙真的存在嗎?〉文中說:「我所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。」所以多重宇宙的討論是有價值的科學議題,值得學術界討論。我們要記得,學術研究的對象總是還未完全被確定為科學事實的問題。

在艾里斯的文章中已經提到一些可能的觀測方法,可以驗證多重宇宙的現象。所以雖然目前還沒有實驗證據,原則上多重宇宙並非不可能被驗證。而就算某個說法因為不能驗證而不算科學,做為一個研究物理的人,關心的是哪些討論可以激發他提出重要的、有價值的科學問題,這些討論有時候會超出科學的範疇而進入哲學,這也沒有什麼不對。艾里斯抱怨的是某些人把未經證實的猜想,過度吹噓成必然的結果,這的確是科普作者應該避免的。另一方面,什麼叫做「科學」,這個問題本身不是一個科學問題,而是一個哲學問題。

最後再補充一點:關於多重宇宙的問題,討論時我們應該先區分弦論和其他理論,也不應該把弦論中多重宇宙的問題和其他的弦論問題完全分開來看。畢竟弦論是唯一(或極少數之一)的自洽、完備的量子重力理論,所以同一個問題放在弦論中或是現象學的理論中來看,我們的觀點自然會不太一樣。你也不可能把用來討論宇宙的弦論和用來討論粒子物理的弦論,分開來看成兩個不相干的東西。弦論是物理學中少數的非現象學理論,它的發展對物理學界一些基本信念的影響,也是個有趣的問題。

──賀培銘是台灣大學物理系教授,研究專長為超弦理論。


楊益昇:請正視弦論多重宇宙的存在!

弦論多重宇宙其實是由弦論地景和無限暴脹理論兩者相輔相成的。這兩者各有其不同的爭議,但卻是目前少數只用已知物理定律可導出的超早期宇宙模型。

想要用弦論形容我們的宇宙,首先要把弦論自然存在的十維時空縮減成我們看到的四維時空,並符合「宇宙正在加速膨脹」這個觀測結果。然而弦論學家發現縮減方法有10500種不同可能性,這就是弦論地景。弦論並沒有給我們一個唯一正確的答案,而是給了有限但多到數不清的「可能的宇宙」。在這些可能的宇宙之中,只要有一個宇宙穩定加速膨脹(很可能我們目前的這個就是),即會導致無限暴脹。

無限暴脹理論是暴脹理論的自然推廣,兩者都可用已知物理定律推導出來。暴脹理論符合許多觀測結果,所有試圖替代它的理論,包含循環宇宙在內,都必須發明新物理定律才能試圖靠近觀測結果。

弦論地景有其技術性的爭議。因為物理學家並不總是做最嚴謹的計算,而是常常以物理直覺做出各種假設和近似。有一些弦論學者會認為目前的計算不夠嚴謹,並不足以證明弦論地景的存在。然而如果使用這較高的標準,我們不只失去了10500個可能的宇宙,連一個成功的縮減方法都沒有。

這導致了一個難題:弦論是否無法預測任何觀測結果?10500個可能性實在太多,如果我們的宇宙只是其中之一,那基本上什麼都有可能。

好比我這輩子只丟一次銅板,結果不是正面也不是反面,而是銅板站了起來,我也不會覺得奇怪,因為我沒有其他的結果來做比較。這個問題很容易解決,銅板多丟幾次就好了。無限暴脹正是這樣的概念:當10500個可能性都不停被實現,那我們就可以給它們一個機率分佈,這就是弦論的理論預測。無限暴脹在出發點上,其實是「解決」了弦論預測性的問題。

那為什麼有人說無限暴脹「造成」了預測性的問題呢?因為無限暴脹並不只是多丟幾次銅板,而是丟了無限多次!所以就連銅板站起來這個結果也會出現無限多次。這可能暗指我們又再次無法說這個結果「不正常」。在銅板的例子裡我們知道這不是問題,我們只要先丟有限的N次,再把N慢慢增加,機率分佈會趨向於一個穩定的函數,那就是丟無限次的機率分佈了。

在無限暴脹的時空之中這個問題比較複雜,是所謂的度量問題,近年來許多物理學家都在研究,目前還沒有一個完美的答案。但現在就放棄並宣稱「因為度量問題不會有答案,所以弦論多重宇宙沒有預測性」,就我看來是相當不實在也不負責任的說法。事實上,即使不解決度量問題,弦論多重宇宙已經預測了負的空間曲率以及宇宙泡碰撞的可能性。

──楊益昇是美國加州大學柏克萊分校物理博士,研究弦論多重宇宙及度量問題,現於哥倫比亞大學從事博士後研究。


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