Sean Carroll 談遙遠的時間及多重宇宙的線索

Sean Carroll: Distant time and the hint of a multiverse

在TEDxCaltech中,宇宙學家Sean Carroll進行了一場有趣且發人深省的旅程,探索時間和宇宙的本質,並提出一個看似簡單的問題:時間為什麼存在?可能的答案指向一個對於宇宙本質及我們在宇宙中位置的令人驚訝的觀點。

講者介紹

Sean Carroll

Sean Carroll是加州Pasadena的加州理工學院理論物理學家,進行宇宙學、場論、重力等理論方面的研究,藉由研究宇宙的結構和演化探索基本物理性質。

他闡述宇宙學和時間之箭的著作《從永恆到現在:時間終極理論之尋求》於2010年出版,他經常性的部落格為「宇宙變遷」。「對於任何曾思考過時間本質以及它如何影響我們宇宙的人來說,《從永恆到現在》是一本非讀不可的書。其文字優美,內容清晰且深入。」 -Kip Thorne

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Sean Carroll 談遙遠的時間及多重宇宙的線索

  • 宇宙非常大,我們生活在一個名為銀河的星系,銀河系中約有一千億顆恒星,如果你拿起相機,隨意指向空中某處,打開快門,並讓它開在那裡,只要你的相機連接著哈柏望遠鏡,這就是會看到的景像。這裡的每一小團都是與我們銀河系大小相當的星系,每一小團中有一千億顆恒星,在整個可見宇宙中約有一千億個星系,所以你記住一千億這個數字就行了。宇宙的年齡,從大爆炸至今,以狗的年齡來算已過了一千億年。(笑聲)這告訴了你我們在這宇宙中的位置。

    面對這樣的畫面,你可以做的一件事就是欣賞,它極其美麗。我常想,是什麼樣的演化壓力,使我們在非洲大草原的祖先在沒有星系圖的情況下,得以適應並演化,而真正欣賞這些星系?但我們也想瞭解它們。身為一個宇宙學家,我的疑問是,宇宙為什麼是這樣的?其中一條重要線索是,宇宙隨時間而改變。如果你觀察其中一個星系並測量它的速度,你會發現它正離你遠去,如果你觀察的是一個更遠的星系,你會發現它正以更快的速度遠離,所以我們說宇宙是不斷膨脹的。

    當然,這意味著在過去,所有星系彼此之間是更靠近的。宇宙過去的密度比較高,也比較熱,如果你把東西緊捏在一起,溫度就會上升。這聽起來很有道理,而令人難以理解的是,宇宙初期,在大爆炸後不久,宇宙是極度平滑的。你或許認為沒什麼好驚訝,這房間裡的空氣也十分平滑,你也許會說,「嗯,也許物體本來就會自己慢慢變平滑。」但大爆炸不久後的狀態跟這房間裡的空氣十分不同,特別是物體的密度高得多。大爆炸不久後,物體之間的引力也強得多。

    我們必須思考的是,這個宇宙裡有一千億個星系,每個星系裡有一千億顆恒星,在宇宙初期,那一千億個星系被擠壓到大約這麼大的空間,毫不誇張,在宇宙初期,我們得想像一下,這個擠壓過程必須相當完美,毫無瑕疵,這裡比那裡多幾個原子也不行,如果有任何瑕疵,宇宙會在引力作用下坍塌成一個巨大的黑洞。讓初期的宇宙保持極度光滑並非易事,這是極為精心的安排,這條線索意味著初期宇宙並非隨機選擇的產物,是某些東西將它造就成那樣,我們想知道那是什麼。

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  • 19世紀奧地利物理學家Ludwig Boltzmann為我們提供了部份解釋,Boltzmann的貢獻在於他幫助我們理解了熵這個概念。你們聽說過熵,它是指某些系統中的隨機、不規則及混亂程度,Boltzmann給了我們一條被刻在他墓碑上的方程式,讓我們得以真正將熵量化。它基本上是說,熵是指在你未觀察到系統發生變化時,其組成要素重新組合的方法數,因此在宏觀上系統看起來是相同的。以這房間裡的空氣來說,你無法觀察到個別原子,一個低熵值的組態是指能夠組合出某個狀態的方式屈指可數,一個高熵值的組態是指能夠組合出某個狀態的方式很多,這是極其重要的見解,因為它幫助我們解釋了熱力學第二定律。這個定律說,在整個宇宙或宇宙被獨立出來部份,熵值是增加的。

    熵值增加的原因很簡單,因為高熵值比低熵值的組合的方式多得多。這個觀點很棒,但還有不完全的部分。順帶一提,熵值增加的觀點正是所謂的時間之箭,背後的原理即過去與未來之間的不同,過去與未來之間的所有區別,都歸因於熵值的增大,因此你能記得往事,卻無法記住未來的事。又如你出生成長、死亡,總是依此不變的順序,都因為熵值的增大。Boltzmann解釋說,如果從低熵值開始,它會很自然的增大,因為處於高熵值狀態的途徑更多,但他並沒有解釋為什麼最初的熵值那麼小。

    宇宙初期的熵值低,這反映了以下事實,初期的宇宙非常非常光滑,我們想理解其中原因,這就是我們宇宙學家的任務。不幸的是,我們事實上並沒有給予這個問題足夠重視。如果你問一個當代宇宙學家,「我們正試圖解決的問題有哪些?」這不會他會給你的首要回答。確實瞭解這個問題重要性的其中一人是理查費曼,50年前,他發表了一系列不同的演講,他給大眾的演講集結成一本名為《物理之美》的書,他為加州理工學院大學部學生上的課,成了《費曼物理學講義》,他為加州理工學院研究生上的課,成了《費曼重力論講義》。在上述每本書每個講座系列中,他都強調了這個難題:為什麼初期宇宙有那麼小的熵值?

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  • 所以他說-我就不模仿他的口音了,他說:「出於某種原因,宇宙所含之能量曾有一個極低的熵值,從那時起熵值不斷增高,在宇宙誕生歷史之謎,從單純的推測進展到被科學徹底瞭解之後,我們才能完全理解時間之箭。」這就是我們的使命。我們想知道-這是50年前的事,你也許會想,「當然,我們現在瞭解了吧!」但事實並非如此。

    這個問題現在更難解決,而非更容易。因為在1998年,我們瞭解到關於宇宙某個前所未知的關鍵,宇宙不僅膨脹,而且加速膨脹。如果你看見一個星系正離你遠去,十億年後再回頭來看它時,你會發現它離去的速度更快,各個星系不斷加速地離我們遠去,所以我們說宇宙正加速膨脹,與宇宙初期的低熵值不同,雖然我們沒有答案,但至少有一個不錯的理論,如果那理論是正確的就能解釋這個現象,即暗能量理論。這個概念是,真空本身就有能量。

    空間中的每一立方厘米,不論是否有物質存在,無論那裡是否有粒子、物質、輻射,或不管什麼,它仍有能量,甚至空間本身就有,愛因斯坦認為這個能量施予宇宙一個推力。這是一股永恆的衝量,將星系彼此推離。因為暗能量與物質或輻射不同,不會隨著宇宙膨脹而被稀釋,即使宇宙越來越大,每立方釐米中的能量含量保持不變,這對宇宙未來的發展有關鍵性影響,其中之一是,宇宙會永遠膨脹下去。

    當我在你們這個年齡時,我們不知道宇宙將會怎樣,某些人認為宇宙未來會再度坍塌,愛因斯坦很喜歡這想法。但如果有暗能量,而暗能量不會消失的話,宇宙就會永不停息地膨脹下去,從140億年前,即狗的一千億年,但無法估計未來還有多少年,在此期間,不管怎麼看,宇宙空間在我們看來都是有限的。宇宙空間或許有限、或許無限,但因為宇宙正加速膨脹,我們看不到它某些部分,也將永遠無法看到。我們能接觸到的宇宙範圍是有限的,在一個邊界內,所以即使時間的腳步永不停歇,宇宙空間對我們來說還是有限的。最後,真空區有它的溫度。

    在70年代,史蒂芬霍金告訴我們,雖然你認為黑洞是黑的,事實上它會輻射,如果考慮量子力學的話,黑洞周圍的時間-空間曲率帶來了量子力學意義上的波動,因此黑洞會輻射。根據霍金與Gary Gibbons一個相當類似的計算,顯示如果真空區有暗能量,整個宇宙就會輻射,真空區的能量帶來量子波動,所以即使宇宙是永恆的,而且一般物質和輻射會被稀釋,但總會存在著某些輻射及熱波動,即使在真空區。這意味著宇宙像是永遠存在的一盒氣體,這意味著什麼?

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  • Boltzmann在19世紀研究了其中所含意義,他說,嗯,熵值會增大,是因為讓宇宙處於高熵值狀態的方式,比處於低熵值狀態的方式多得多,但那是一個機率性的描述,它可能會增大,這個機率相當高,我們不需要擔心這房間裡的空氣會全都擠在房內一處,讓我們窒息,這可能性極小極小,除非門被鎖上,讓我們永遠被關在這裡,才會發生所有可能的情形,這屋裡分子所有可能形成的組合終究會出現。

    所以Boltzmann說,你可以從一個處於熱平衡狀態的宇宙開始,他沒聽說過大爆炸,也沒聽過宇宙膨脹,他認為牛頓對時間和空間做出了充分的解釋,它們是絕對的,永遠固定不變,所以他對自然宇宙的看法是,空氣中的分子會平均分散在各處,所有分子皆是,但如果你是Boltzmann的話,你知道如果等的夠久,分子隨機的波動有時會使它們處於低熵值的組態,當然,之後隨著自然規律,它們會重新回到之前分散的狀態,所以熵值並非總是增加,波動可能造成低熵值狀態,即更規則的狀態。

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  • 如果這個說法正確,Boltzmann將會提出兩個聽起來很現代化的概念,多重宇宙與人擇原理。他說,熱平衡的問題在於我們無法生活在這樣的狀態下,記得嗎?生命本身有賴於時間之箭,如果生活在熱平衡的狀態下,我們將無法處理資訊、新陳代謝、走路和說話。如果你想像一個很大很大的宇宙,無限大的宇宙,粒子間隨機的碰撞有時形成低熵值狀態的小波動,然後復原,但也存在大波動,偶爾造出個行星、恒星或星系、或是一千億個星系,所以Boltzmann說,我們只是生活在多重宇宙的一個部份,一個無限大的波動粒子堆裡的一部分,這部分有生命存在的條件,也是一個低熵值區域。也許我們的宇宙不過是那些時而發生的事之一。

    你們的回家作業是好好思考這些到底意味著什麼,引用Carl Sagan的名言,「要做個蘋果派,你必須先造出個宇宙。」但他說錯了,根據Boltzmann的推測,如果你想做個蘋果派,你只需等著原子隨機的運動幫你做個蘋果派,這比等著原子隨機的運動為你造出個蘋果園,造出些糖和烤箱,然後再幫你做個蘋果派可能性大得多。這論點包含著某些預測,這些預測包括造出我們的是最小限度的波動,即使你想像我們現在身處的這個房間真實存在著,而我們也在這裡,我們不僅擁有我們的回憶,也有個印象,這房間外還有東西,叫做加州理工學院、美國、銀河系,讓這所有印象藉由隨機波動進入你的大腦,比讓它們真正隨機波動而造出加州理工學院、美國和銀河系容易得多。

    好消息是,這個推測行不通,是錯誤的,它推測我們應該是最小限度的波動,即使不考慮我們的星系,也不會得到其他一千億個星系,費曼也明白這一點,費曼說:「以這個世界是波動的假設,且所有推測都基於這個想法,如果我們對之前從未見過的那部分世界進行觀測,我們會發現它很混亂,與我們之前觀測的部分不同,其熵值較高,如果我們的秩序基於波動,我們就不會預期在剛才觀測到的地方以外找到秩序,因此斷定宇宙並非波動。」這很棒,問題是,正確的答案是什麼?如果宇宙不是波動,初期宇宙的熵值為什麼那麼低?我很樂意告訴你們答案,但沒時間了。

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  • 這是我們告訴你的宇宙,與真實存在宇宙的對照,我剛剛給你們看過這畫面,一百多億年來宇宙不斷膨脹,也不斷冷卻,但我們現在對宇宙未來的瞭解足以進行更多的描述,如果暗能量持續存在,我們周圍的恒星將用盡它們的核燃料而停止燃燒,它們會坍塌成黑洞,我們將會生活在一個除了黑洞什麼都沒有的宇宙裡,這樣的宇宙將會存在10的100次方年,比我們的小宇宙存在的時間長很多,未來比過去長很多。但即使黑洞也不是永恆的,它們會蒸發,除了真空宇宙外什麼都不會留下,這真空宇宙將會是永恆的。但你注意到,即使真空區也會有輻射,事實上存在著熱波動,它以存在於真空區中,不同自由度的所有可能組合之間不斷循環,所以即使宇宙將永遠存在,宇宙中可能發生的事卻是有限的,它們都在10的10次方的120次方年這段時間內發生。

    我想向你們提出兩個問題,第一:如果宇宙存在了10的10次方的120次方年,為什麼我們出生於最初億年間,在這個溫暖舒適的宇宙大爆炸餘暉裡?我們為什麼不在真空區?你也許會說:「那裡根本沒有活的東西。」但不對,你可以是空無一物中產生的隨機波動,為什麼你不是呢?這就是你們另一個家庭作業。

    如我所說,我不知道答案,我告訴你們我最喜歡的推測,也許它本該如此,根本沒有解釋,這就是個不容爭議的、關於宇宙的事實,你必須接受它,且不再詢問任何問題。或也許大爆炸並非宇宙的開端,一個完整的雞蛋處於低熵值狀態,但當我們打開冰箱時,我們不會想:「哈,能在冰箱裡看到這樣一個低熵值狀態實在太驚人了!」那是因為雞蛋並非一個封閉系統,它是某隻雞生出來的,也許宇宙正是一隻宇宙雞生出來的,也許某些東西會藉由物理定律的發展自然誕生出來,像現在這個低熵值的宇宙。如果那是正確的話,它不會只發生一次,我們會是巨大多的多重宇宙的一部分,這是我最喜歡的推測。

    大會組織人要我以一個大膽推測結束演講,我大膽的推測,歷史將會證明我的理論絕對正確,從現在起五十年後,我現在所有瘋狂的想法都會被科學界以及整個社會奉為真理。我們將全都相信,我們的小宇宙不過是更大的多重宇宙中的一小部分,不僅如此,我們將有個理論能說明大爆炸時發生的一切,這理論將能被觀察結果支持。這只是預測,我也許錯了,但身為人類,我們多年來不斷思考宇宙曾經是怎樣的,它又是怎麼變成它所呈現的模樣。令人興奮的是,或許終有一天我們會找到答案。

    謝謝。

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