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((This article is translated from "Beyond Star Trek" of L. M. Krauss))
((未經譯者同意, 請勿轉載))
在我們的大眾文化跟神話之間常編織著一個主題. 那就是: 我們所處的世界是一個周密欺瞞的謊言, 好讓我們相信事情跟實際相反. 在世俗的外表之下, 世界的主導者可以任意改變自己的身分. 他們可以穿牆而過, 消失又出現, 隨時影響千里之外的事情, 還可以分身再合體. 我們感受的世界是一場精心策劃的表演, 而所做的一切都是為了我們好.
Ｘ檔案? MIB 星際戰警? 共和黨與民主黨? 不, 我說的是量子宇宙. 這是真正的終極邊疆, 如果我們想了解時間的開始與結束, 以及我們經驗宇宙的客觀現實, 就必須好好地探索它. 科幻小說家最狂野的幻想跟量子宇宙的特質相比還差得遠呢.
亞伯特˙愛因斯坦不喜歡他所促成的量子理論, 因為它有 "長距離的詭異行為" [spooky action at a distance]. 如我在第 11 章提過的, 他對 ESP 也有類似的懷疑. 不消說, 其關聯並未消失於各種 ESP 的倡議者之間, 因此量子力學在本書中已經被提過許多次. 這裡有個重要的議題, 比物理更適合當作黃金八點檔. 這個議題叫做 "糾纏" [entanglement].
當粒子系統的波函數是由不同狀態的相干加總組合而成的時候, 在每一個狀態中單一粒子的配置跟其他粒子有關 (例如, 某顆粒子是上自旋, 另一顆是下自旋), 而粒子不是獨立的: 量測某一顆粒子同時也可以決定另一顆粒子的性質必須為何. 這種狀況似乎導致一個 "詭異" 即時通訊的辦法, 即使必須跨越巨觀下很大的距離 - 也就是顯然比光速更快的通訊.
這種顯然很難成立的現象有個例子, 是愛因斯坦跟他在普林斯頓的兩個同事, 波里斯˙波多斯基 [Boris Podolsky] 及納森˙羅森 [Nathan Rosen], 在 1935 年因為一個頑皮的念頭而做的實驗. 最好的解說方法是想像一個雙粒子系統的創生, 由於這個雙粒子系統的總自旋量為零, 所以測量時兩個粒子的自旋方向剛好相反. 描述這個系統的波函數會包含 A 粒子上自旋而 B 粒子下自旋的狀態, 還有相等係數的相反狀態, 因此測量到任一種狀況的機率是一樣的. 只要兩顆粒子不受干擾, 這個波函數會持續到它們分開為止.
對系統的量測來說, 這意味著什麼呢? 假設我量測了 A 粒子, 在量測之前它上自旋的機率是 50-50. 當我量測時, 我發現它處於上自旋狀態. 既然兩個粒子的總自旋為零, 表示量測 B 粒子結果會是下自旋. 如果我在量測 A 粒子之前先量測 B 粒子, 那麼 B 粒子為下自旋的機率就只有 50-50. 所以, 藉著先量測 A 粒子, 我改變了 B 粒子的自旋機率 - 從 50-50 可能下自旋變為 100% 下自旋. 神奇的事要發生了. 如果我量測 A 粒子時, B 粒子已經離開 A 粒子, 正越過 4 光年外的半人馬座α星呢? 藉著改變這裡的 A 粒子, 我可以即時影響靠近半人馬座α星的觀測者所量測到的結果!
最近在日內瓦進行的一項實驗, 就藉著量測相隔 10 公里的兩個 "糾纏" 光子, 測驗了這個構想. 當然, 他們仍舊保持關聯, 對其中一顆粒子的量測會立刻影響到另一個的配置.
這怎麼可能呢? 這難道不違反我之前提過非常重要的因果規則嗎? 呃, 並不會. 因為在量測之前我並不能控制 A 粒子的自旋狀態, 所以我也無法利用自旋傳遞任何資料, 影響在半人馬座α星量測 B 粒子的人.
儘管如此, 如果你對這一切還是感覺很不對勁, 其實大家都一樣. 我們的傳統直覺告訴我們, 就算無法利用兩顆粒子來傳遞超光速訊息, 它們彼此還是不可能以超光速通訊. 然而, 從純量力的眼光來看, 這兩顆粒子從未真正處於獨立的狀態. 我們喜歡把它們想成分開的粒子, 但那只是因為我們精緻的古典主義在作祟. 它們並不是分離的實體; 它們是一個完整量子的一部份. 此外, 在我首次量測之前, 沒有任何一顆粒子是上自旋或下自旋; 它們只是一個總自旋為零的組合其中的一部份而已. 我對 A 粒子的測量使得這個系統的波函數 "崩潰", 所以量測之後兩種組合只剩一種. 直到量測為止, 粒子 A 跟粒子 B 以及它們的互斥 [mutually exclusive] 自旋是糾纏在一起的 - 也就是, 它們的共同狀態由單一的波函數決定.
好, 如果宇宙在基本層面上是量子力學的, 那麼我們不也全都是某些宇宙波函數的一部份嗎? 每當我眨眼的時候, 我是否影響了所有其他事物的狀態呢? 這是從之前討論的現象做出的邏輯推論, 如果是真的, 那麼我取笑占星學家就太愚蠢了.
呃, 或許我很愚蠢, 但不會是為了這個原因. 事實上, 我們知道在微觀下看來怪異的事並不足以影響巨觀的結果 - 看看我們身邊就知道了. 前面系統中兩顆粒子中的任何一顆, 在測量前都可以看成同時擁有上自旋跟下自旋, 但我們經歷的世界卻完全不是如此. 我的電腦螢幕一直在同樣的地方跟我面對面, 直到我想把它丟出窗外為止. 然而在我寫作這麼多年來, 它從未同時出現在兩個不同的地方, 至少在我醒著的時候是如此.
傳統世界就是傳統的. 那就是為什麼量子力學這麼怪異的緣故. 我們如何從粒子的量子世界過度到人類的傳統世界呢? 其實應該是, 我們是如何進行量測的呢? 當我將蓋革計數器 [Geiger counter] 暴露在輻射粒子中, 粒子在量測前可能存在於不同量子狀態的總和 (或者用這個領域的術語來說, 是疊加), 但我的量測儀器卻不是如此. 它要不是發出喀嗒聲, 要不就沒聲音. 絕不可能同時做這兩件事.
這個量力量測問題的典型例子有點老套, 但還是很有啟發性. 它幾乎跟量子力學本身一樣老. 這個理論的傳統弔詭並未因其創造者而消失. 他們拒絕讓弔詭拖累他們的研究, 因為這個理論不斷地提供新的預測, 可以解釋其他無法解釋的實驗結果. 在 1935 年, 量子理論的發明者之一, 澳洲 [Australia] 的物理學家爾文˙薛丁格 [Erwin Schrodinger], 設計了一個他所謂的 "鬧劇" [burlesque] (譯註: 為諷刺或搞笑的滑稽模仿歌舞雜劇, 有時包括低級的脫衣舞), 跟貓不適時的死亡有關, 說明當巨觀物體跟微觀物體糾纏在一起的時候, 量子宇宙會變得多麼荒謬. 薛丁格的貓放在封閉的鋼盒中, 裡面有一小瓶氰酸 [prussic] 放置在榔頭下, 還有一個試管裡面裝了微量的放射性物質 - 其份量足以在一小時內讓一顆放射性物質的原子有 50-50 的機率衰變, 並放出一顆電子, 觸動偵測器傳遞訊號給榔頭, 然後榔頭會掉下來壓碎玻璃瓶, 釋出毒氣殺死貓. 如果每顆放射性原子的波函數, 在我們於一小時後打開盒子以 "測量" 系統前, 都能包含衰變及未衰變狀態的相干總合, 而且如果這隻貓的健康狀況也清楚地跟這些狀態彼此關聯, 那麼我們是否必須認為這隻貓處於生與死兩種狀態的疊加?
當然不. 沒有任何人曾經看過這種疊加, 或許只有Ｘ檔案除外. 貓要不是生就是死, 不可能兩者皆是. 在貓跟原子尺寸的物體之間有根本上的不同. 但那是什麼?
答案之一曾經成為科幻小說的飼料, 因為它認為我們的宇宙比我們感知到的要複雜無限多倍 (沒錯!). 還有什麼小說能比這更有啟發性的呢? 這個答案以 "多量世界" [many worlds] 的名稱成為盛行的量子力學詮釋, 指出貓跟粒子之間的根本不同在於我們看得見貓. 把我們自己跟我們的意識當成量力物體, 我們可以想像我們也跟貓, 毒藥儀器以及盒子糾纏在一起了. 在我們觀察 (或說 "測量") 貓的狀態之前, 有兩種結合的配置組成描述儀器, 貓及我們的波函數 - 沒衰變, 貓還活著, 我們打開盒子的時候很驚喜; 或是粒子衰變了, 貓死了, 我們打開盒子的時候是悲哀的景象. 當我們觀察貓的時候, 我們讓波函數潰縮成兩種可能之一. 每當我們的意識行動時, 我們沿著宇宙量子波函數無限多的可能 "分支" [branches] 之一行進. 我們只感知到單一宇宙, 但那是因為我們被貶謫到我們所感知的宇宙之中. 我們的量子夥伴住在我們其他感知的宇宙中, 如果我們的貓活著, 他們的貓就是死的 - 反之亦然. 我的一個物理學家朋友常喜歡半開玩笑地說, 這種看法讓他感到安慰, 因為當他犯錯或錯過偉大的發現時, 他總會有某個波函數分支中的量子夥伴是沒犯錯的.
如果這個信念還不夠讓你感到安慰, 你可能常常會想跳進這些平行宇宙之一, 在那裡事情可能會變得對你比較好. 這當然就是武夫 [Worf] 在銀河飛龍的 "平行" [Parallels] 那集中遇到的情形, 他發現自己交替於跟荻安娜結婚及單身之間. 就我所知, 有部電視影集叫 "時空英豪" [Sliders] 的就是這樣, 有一群勇敢的探險家在宇宙之間跳躍; 在影集之間主角人物都相同, 但是某些重要的細節卻令人膽怯地週週改變.
還有, 至少一個以上的專業物理學家 (以及許多業餘的) 對外婆弔詭提出過一個很好玩的解答, 讓時光倒流遭了殃. 如果你回到過去, 但是回到平行的量子宇宙, 那麼殺你的外婆就無所謂了, 因為在原來 (大概也是你要回去的那個) 宇宙中你的外婆還是活得好好的. (這樣可能會有人想問, 既然總有某個宇宙裡的外婆會被卡車撞死, 那幹嘛還要大費周章地回到過去殺你的外婆呢?)
平行宇宙的概念很有意思, 但是在它們之間跳躍恐怕是行不通的. 量子力學的中心宗旨是, 一旦波函數崩潰, 許多選擇中的一個被決定之後, 就無法回頭了. 即使在 "多量世界" 的情形中, 一旦你感知到現實, 你就會陷在那個現實之中. 這個概念直接跟物理上一個稱為 "機率守恆" [Conservation of Probability] 的強力限制有關, 這個定理陳述一件很簡單的事: 某個測量的所有不同可能結果的機率總和必定為 1 - 也就是, 總有一個結果必須發生. 此外, 每次量測只能得到單一的結果. 一般來說, 任何允許你在不同波函數的分支間跳躍的模型, 都會違背這項定理.
我不追求平行宇宙以及在它們之間漫遊的可能性, 原因之一是我認為它們不夠周詳, 如西尼˙柯曼所說: 他們似乎企圖用傳統方式解釋量子力學, 好讓它跟我們的感知一致 - 而不是反過來. 對我來說更合理的方法, 是試圖將傳統世界視為基礎量子世界的近似, 只用純量子理論本身的語言來了解它, 而這需要一點時間發展.
有些重要的理解是最近才提出的, 也就是薛丁格提出他的弔詭約 60 年之後. 此外, 這幅圖片只發展出一般的架構; 它被稱做 "去相干" [decoherence] (別讓它跟你現在可能感覺到的混淆了). 基本的概念很簡單: 巨觀世界跟量子宇宙表現得不一樣; 所以, 傳統物體 (巨觀的物體) 不包含互斥可能的疊加.
如果巨觀物體是由量子物體組成的話, 這怎麼可能呢? 呃, 這是數量大小的問題, 也是巨觀物體所有成分間固定互動的問題. 我們再想想簡單的雙粒子系統, 其總自旋量為零. 它的波函數由兩個互斥的機率組成: A 上 B 下加 A 下 B 上. 但這個糾纏唯有在系統不與任何物體互動的情況下才能持續. 如果 B 粒子與 C 粒子相撞, 造成 B 與 C 粒子的自旋互換 (舉例), 那麼 A 粒子與 B 粒子的關聯就縮小了. 如果 B 跟一百萬顆其他的粒子產生了一百萬次這樣的撞擊, 那麼原本跟 A 的關聯很快就會被沖淡掉. 這個系統, 以及系統的波函數, 將會以 A 與 B 彼此獨立的方式演化下去. 用現代的說法, A 跟 B 將會去相干. 你可以想像 A 與 B 的相干疊加會因為之後的互動而短暫地重現一段時間, 但如果附近的粒子很多, 互動也多的話, 這個可能性就會越來越渺茫.
雖然巨觀下大量粒子聚集體 [aggregation] 的去相干操作細節還沒完全實現過, 去相干的概念看起來卻出奇地合理. 或許這並不如平行宇宙那麼有趣 (每次任何人有任何感知時, 獨立宇宙的個數就會增加), 但相較起來卻極其簡單. 而去相干顯示量子力學可以解決本身的問題 - 也就是說, 所謂的傳統限制只是由大量粒子組成的系統, 在互斥狀態沒有相干疊加時的限制. 組成傳統巨觀系統的大量獨立粒子之獨立量子狀態會很快地去相干, 而系統的波函數也會演變成許多不同狀態的總和, 但描述互斥巨觀配置的狀態 (比方說, 活加死的貓) 具有隨機的正負號, 最後會彼此抵銷總和. 此外, 去相干解決了本文一開始的問題: 我跟宇宙是否有某種量子疊加的關聯 - 以致於當月亮在第七宮而木星跟火星重合時, 和平會帶領行星, 愛情會支配行星? 不, 我沒有. 去相干只會保證我和木星的狀態在宇宙的波函數中沒有相干的巨觀疊加而已.
啊, 這個結論顯示了量子力學的神奇現象永遠只能出現在微觀的世界中, 跟我們將永遠沒有直接的關係. 但這也未必總是如此, 我相信我們的未來就在其中....
無疑地, 物理最令人興奮的實驗邊疆 (至少從技術的角度來看) 就是不斷開發巨觀應用的量子現象. 量子現象有兩種方式可以洩漏到可觀測的領域中. 第一種情形是巨觀的大量粒子聚集體在單一的量子狀態下共存. 正常來說, 巨觀的配置對應到許多許多不同的微觀狀態, 正因為如此才使得所有粒子的有趣相干配置在巨觀時被沖淡掉. 然而, 如果對應到可觀測巨觀狀態的所有粒子都只有單獨一種配置的話, 那麼就沒有東西來沖淡了.
近來這種巨觀表現出量子現象的最著名例子, 是所謂的玻色-愛因斯坦凝聚態 [Bose-Einstein condensation], 這是根據提出它的兩位物理學家而命名的. 首先我必須解釋, 自然界中的已知粒子可分為兩種 - 一種角動量含有 1/2 的自旋值, 而另一種的值為整數. 量子力學定律顯示, 具有整數自旋值的粒子會盡可能佔據同樣的狀態. 在數學上, 可以這樣表示: 如果我有一顆處於某量子狀態的整數自旋粒子, 那麼附近第二顆具有整數自旋的相同粒子, 處於相同狀態的機率會增加, 不論兩顆粒子間是否有其他的吸引力. 相同地, 處於同樣狀態的兩顆粒子, 其配置總能量會比處於不同狀態時要小. 但回憶一下 14 章, 對單一粒子來說, 獨立量子狀態間的能量差 (量子躍進) 是非常微小的; 所以一般粒子在室溫下的周圍能量就足以使他們輕易佔據許多不同的量子狀態.
然而, 如果我們將這種粒子系統冷卻到非常低的溫度, 也許是絕對溫度的百萬分之幾度, 根據預測粒子的量力趨勢在某些特定位置會變得明顯, 而整個配置會潰縮成單一的量子狀態, 也就是所謂的玻色-愛因斯坦凝聚態. 這個新的物質狀態跟一般巨觀物質的表現會非常不同, 因為它是處於純粹的量子狀態, 而不是許多不同量子狀態的正常巨觀疊加. 接下來你可以任意操作這個巨觀的配置, 就好像它是一顆龐大的巨觀粒子一樣. 這個凝聚配置的科技潛力, 就跟它作為探索物質特性之研究工具的潛力一樣, 非常大.
多年來建立真正的玻色-愛因斯坦凝聚態一直是原子物理實驗的聖杯, 一直到 1995 年兩個團隊才成功地把數千顆原子限制在玻色-愛因斯坦相, 持續了一分鐘左右. 在這個領域的研究仍然太過原始, 不足以導致任何實用的科技裝置. 然而, 在另一個密切相關領域中的研究卻已經得到不少好處.
在 1911 年, 荷蘭的實驗物理學家卡莫林˙翁涅斯 [H. Kammerlingh Onnes] 把液態的水銀降溫到攝氏 -270 度, 發現了一些神奇的事. 電流的阻抗突然完全消失了, 材料變成今日所謂的超導體 [superconductor]. 將電流引進超導線路迴圈中並移除電池, 電流仍可以持續流動數天, 甚至數週.
從翁涅斯開始, 超導體發展了很長的一段時間, 並且已經對我們的科技造成重大的衝擊. 如果你希望製造沒有電阻的電流, 以避免熱量聚積及浪費能源, 超導體是最直接的辦法. 舉例來說, 它們可以用在超級電腦 [supercomputers] 中, 因為內部數十億個緊密排列的儲存單元之間, 是不容許電流產生熱量的, 它們也被使用在高能加速器中, 那需要很高的電流, 但是熱量和電費不能太高. 超導體也是一種玻色-愛因斯坦凝聚態的形式, 但是由於粒子之間的額外互動, 卻可以存在於比純粹的玻色-愛因斯坦狀態更高的溫度. 一般的導體會有電阻, 是因為電流由獨立的電子攜帶, 而電子常常會遇到材料中的瑕疵及雜質, 並因此損失能量. 但是如果所有的電子都被連接在一起, 構成單一的量子狀態, 而這種狀態同時佔據整條電線的話, 所造成的電流會以整個配置同時移動, 而且不受電線中的微小瑕疵影響.
更接近科幻精神的是另一個發生可觀測量子現象的領域. 實驗者現在有足夠靈敏的工具, 可以操縱單一原子掉入所謂的原子陷阱 [atomic trap] 中. 此外, 他們也能操控電磁輻射, 將單一輻射量子限制在光纖 [optical fiber] 或空孔 [cavity] 內. 這樣隔離出的單一粒子, 不會受到一般的互動而導致去相干. 破天荒第一次, 人類終於可以直接研究獨立原子與輻射互動的基本量子性質. 此外, 所有著名的量力實驗, 包括糾纏, 包括傳統的愛因斯坦-波多斯基-羅森的提議, 都可以進行研究了. 到今天, 相對於那些認為測量的機率本質只是傳統理論近似值的理論, 這些實驗已經確認了量子力學的預測. 從我的觀點來看, 有能力從事 "量子工程" 以促進電流應用, 電閘以及量子電腦的使用, 確保了這種研究的偉大長程利益. 當我們能將開關及馬達的尺寸縮小到原子級 (小到我們的傳統預期失效) 的時候, 全新的科技世界將不像 20 世紀的微軟 [Microsoft] 宇宙, 反而更像 23 世紀的 Star Trek 宇宙, 並且會以我們尚無法想像的方式召喚我們.
當我們的想像受到刺激的同時 (這正是科幻跟我認為現代科學該有的樣子), 這些人體尺寸的量力產品跟尺度的兩極化相比將黯然失色, 也就是我們能想像的最小距離, 以及整個宇宙的大小.
回想一下, 量子力學的基礎建構在有限系統狀態的不連續本質之上. 這種不連續的本質意味著, 不但原子中的粒子, 或固體中的原子, 其能階是不連續的, 連電磁輻射 (所有種類的輻射) 也是不連續的能量團. 在電磁學裡, 這些能量團叫做光子, 它們不只負責攜帶電磁訊號, 同時還傳遞電磁力.
好, 牛頓的重力定律跟愛因斯坦的相對論都告訴我們重力跟電磁力很像, 只不過重力微弱得多. 那麼以這種類比來看, 自然界中應該也存在類似光子的粒子, 可以傳遞重力才對. 我們把這種粒子叫做重子. 到目前為止這還沒什麼問題. 然而, 要記得廣義相對論告訴我們, 重力基本上是跟時空本質及曲率有關的. 事實上, 重力根本就是時空本身曲率造成的結果. 我們對時空的概念認為這些是連續的; 然而, 從基本粒子彼此因為靠近, 而使得重力互動增強的尺度來看, 如果我們想要用量子重子來描述這種互動, 那麼視時空為連續的傳統概念就沒有意義了. 現在, 人們正在不斷地試探, 企圖找出可以取代它的概念.
這種效應變得顯著的尺度是難以想像的渺小: 這種尺度相對於原子大小的比例, 甚至要比原子相對於太陽系的比例還要更小! 然而, 自然界中有兩種情況可能讓粒子靠得夠近, 而使重力的量子本質變得重要: (1) 物質在黑洞中崩潰的最後階段, 以及 (2) 宇宙開始的時候.
在這兩種狀況下, 物質的密度高到使量子重力效應變得非常重要, 產生所謂的量子奇異點 [quantum sigularity]. 它有某種特徵 [cachet]. 它唸起來很順口, 難怪常常在電視電影裡聽到, 不論是 Star Trek 或是魔鬼剋星 [Ghostbusters]. 或許它的吸引力與人類所經歷其他有吸引力的觀點相同. 在量子奇異點中, 任何事都可能發生! 我們所熟知的物理定律, 在這裡通通失效. 量子效應會變得非常顯著, 甚至可以改變時空的本質. 或許, 就像虛擬基本粒子一樣, 量子效應會在微小的尺度下創造全新的宇宙. 最刺激的是, 或許我們的宇宙本身就是從這樣的量子過程開始的.
這些概念擄獲了科幻小說家的想像. 我還記得在當研究生的時候, 讀過一篇特別有趣的小故事 (唉, 名字我早就忘了), 作者是科幻小說家史丹尼斯羅˙林姆 [Stanislaw Lem], 故事裡的宇宙是由量子事件創造出來的. 我當時完全接受了這個概念, 因此我的博士論文對於早期宇宙的重力特質有一些 (現在回想起來) 瘋狂的臆測, 並為此在論文中向林姆致謝. 但是宇宙的量子創生概念也吸引了不少著名的理論物理學家及數學家的想像.
這些都是我在家裡, 收到那些物理學家回答我問他們最想知道的一件事才知道的. 加州理工的相對論專家, 同時也是作家的奇普˙索恩 [Kip Thorne] 回覆他 "最想知道量子重力定律, 以及它們對下列各點有何意義: (1) 宇宙如何起源, (2) 有沒有其他的宇宙, (3) 黑洞中心的奇異點本質, (4) 宇宙是否能由這種奇異點產生, 以及 (5) 時光旅行是否可回到過去." 這或許已經違反了我原本規定的 "你最想知道的一件事", 但是我願意忽視這一點, 因為顯然奇普的五個問題 (是物理前鋒最刺激的問題) 都彼此牽扯, 知道其中一個答案就等於知道所有問題的答案了. 然而, 第 2 跟第 4 題或許最為重要. 如果我們的宇宙並不是唯一, 如果我們的宇宙可以由混亂的量子過程產生, 那麼我們由科學和未來所定義的整個自然界, 都可以改變.
這也正是另外兩位出色的理論物理學家回覆我的內容. 他們一位是諾貝爾獎得主, 德州大學奧斯汀分校 [University of Texas at Austin] 的史蒂芬˙衛因堡 [Steven Weinberg], 另一位是加州理工的約翰˙普利斯基 [John Preskill], 他在 1970 年代正好是衛因堡在哈佛的學生, 後來跟我一起在哈佛任教. 最近普利斯基跟奇普˙索恩聲名大噪, 因為他們跟史帝芬˙霍金打賭是否可能有 "裸態" 的奇異點 (非處於黑洞深處的奇異點) 結果賭贏了 (索恩跟普利斯基堅稱這種奇異點可能存在, 而最後霍金承認了這一點). 我從剛開始成為物理學家的時候就認識這兩個人, 他們本來是我的老師, 後來是我的同事. 令我感到神奇而且欣慰的是, 思想深刻的這兩人都回覆我幾乎相同的問題. 他們都想起之前 (普利斯基特別點明) 愛因斯坦也被問過, 他最想知道宇宙的事是什麼. 他回答的是, "我最想知道的是, 上帝在創造宇宙的時候, 是否有任何選擇."
如果我們的宇宙不是唯一, 那麼懷疑我們發現的自然定律並非唯一是很合理的. 用另一種方式來說: 是否有任何方法可以建立一個合理的宇宙? 是否有任何邏輯上的瑕疵, 妨礙了我們居住宇宙之外的任何其它時空四維宇宙, 其物質, 輻射以及粒子間力的一致性? 如果是的話, 那麼解釋可見宇宙的 "萬物定律" 就能完全解釋我們為什麼存在於此. 如果不是的話, 那麼我們的存在及我們宇宙中的相關自然定律或許就不是非常地基礎. 我們所推導出的物理定律可能事實上是完全沒有邏輯關聯的. 如同衛因堡說的: "它們 (指物理定律) 所具有的特質, 是否不容許任何不會導致錯誤的微小改變?" 普利斯基用更詩意的方式講出類似的話:
我想像有一個智者可以供我發問. 他知道任何事情, 但我只能問一個問題, 所以我最好善用它! 我想問的事情那麼多, 問題的措詞必須很精準, 好讓我聽到答案就知道它代表的意義是什麼....你沒那麼說, 但我決定把答案限制在只有是與否 - 我只會知道這個宇宙的一點點資訊.
我要問智者的問題是: "物理是環境科學嗎?"
在智者回答之前, 我會先向他解釋問題的涵義. 我想知道我們所觀察到的宇宙特徵 (比方說, 基本常數的量值, 例如宇宙常數, 精細結構常數 [fine-structure constant], 夸克與輕子 [lepton] 的質量....等等) 是真的可由基本定律預測, 還是在決定他們的量值時, 機率也扮演著重要的角色? 我們的宇宙是唯一可能的一個, 還是許多可能之一? 如果是許多可能之一的話, 那麼我們若不觀察宇宙的性質, 就無法由基本定律了解宇宙; 也就是說, 物理是環境科學 (像生物學一樣). 我們所居住的宇宙, 是由歷史早期發生的許多 "凍結意外" [frozen accidents] 決定的.
就某方面來說, 這是愛因斯坦著名問題的另一種說法: "上帝在創造宇宙的時候, 有任何選擇嗎?" 對我來說, 知道答案很重要, 這樣我們才能定出基礎物理學該有的終極目標. 我們尋找 "萬物理論", 一個所有基本粒子與力的高度預言性理論. 但或許當我們知道這個理論時, 太多的預言反而會讓我們迷惑. 如果物理真的是環境科學的話, 那麼我們想要了解宇宙為什麼是今天這個樣子的夢想, 就永遠不可能完全實現.
所以看來連科學的未來最後可能也還是會回歸到量子力學的本質. 如果量子程序顯示即使我們宇宙的創生也是機率事件, 那麼我們存在的相關條件或許會跟其他可能的條件大不相同.
然而, 當我考慮未來的時候, 對我來說即使量子力學最後反而顯示我們的存在是比之前更大的宇宙意外, 對那些認為我們的存在很重要的人來說還是有其光明面. 因為, 到最後, 量子力學或許能提供我們終極的救贖.
我開始寫這本書的時候, 用科幻電影 "地球末日" 的觀點開了一些玩笑, 是為了替之後的論點鋪路: 地球將來會有更嚴重的後果, 不論是否有邪惡的陰謀或是外星人, 地球會在 50 億年之後被太陽吞沒. 如果我們夠幸運, 且/或富於機智的話, 我們的 DNA - 或者至少我們的智慧, 如果我們能把那轉移到矽基生命型態 (我是說電腦, 不是 "霍塔") 的話 - 或許能從大變動中存活, 而兩者之一互許能以某種形式到恆星間探險. 但危險仍將接踵而來. 最後, 如果可見宇宙沒有在大坍縮 [Big Crunch] 中崩潰的話, 那麼大概在一千億年後, 我們銀河 (以及所有其他人的銀河) 中的所有恆星都會燒盡, 任何後裔都必須尋找新方法來儲存及利用能源. 目前的粒子物理預測, 從現在起十億兆兆年之後所有的物質都會衰變成輻射. 那似乎預先宣告了宇宙中智慧生命的終極末日.
真的嗎?
只要還有能源可開發, 難道我們不能將能源回收轉成物質, 至少讓我們身體的局部維持穩定的物質態嗎? 但那不能持續到永遠. 熱力學第二定律告訴我們這種權宜之計最後終究會失敗, 因為宇宙最後會變成一個均勻的熱水池, 在那裡面沒辦法做任何有用的功. 但我認為即使到那時仍可能還有希望. 如果我們的可見宇宙只是許多可能宇宙中的一個, 而每個可能宇宙中的物理定律又可能不同, 那麼我至少想到兩種可能性, 讓智慧生命可以繼續演化下去. 我們或許能建立足以自行發展的新嬰兒宇宙 [baby universe], 而我們存在的遺跡或許能逃脫被熾熱的死亡所吞沒的宇宙, 進入嬰兒宇宙中. 否則更可能的是, 宇宙包含了許多尺度夠大的分隔區域, 而我們的可見宇宙只是其中的一部份. 這個總宇宙 [metauniverse] 可能有某種結構, 而其中的子宇宙 (每個都有不同的物理定律, 不同的基本常數....等等) 最後終究都會合併. (我這是在形上學 [metaphysics] 的邊緣遊走. 當我將這個概念與目前定義較嚴謹的物理結合時, 我猜想這種子宇宙可能還是會保持彼此分開. 但你還是可以抱持著希望.) 我不知道當兩個物理定律不同的區域合併時會冒出怎樣的火花. 它是否足以給我們一個新的開始, 誰也不知道.
目前這個部分最好還是先留給科幻小說家吧. 歡迎你們想像你們自己的劇本. 誰知道呢? 我可能很快就會在電影裡面看到了. 也或許那個編劇就是我. 不管怎樣, 我的角色就像 "耶誕未來的幽靈" [Ghost of Christmas Future] (譯註: 這個詞改編自狄更斯 [Charles Dickens] 的小說 "耶誕頌歌" [A Christmas Carol]): 這些沉思的目的並不在於主張未來將會變得如此, 而是要啟發人思考這些可能性. 更重要的, 我希望它們能提醒人類, 即使外星人並未侵入我們的日常生活, 長遠來看事實的真相可能會比科幻更加奇怪.
((未經譯者同意, 請勿轉載))
在我們的大眾文化跟神話之間常編織著一個主題. 那就是: 我們所處的世界是一個周密欺瞞的謊言, 好讓我們相信事情跟實際相反. 在世俗的外表之下, 世界的主導者可以任意改變自己的身分. 他們可以穿牆而過, 消失又出現, 隨時影響千里之外的事情, 還可以分身再合體. 我們感受的世界是一場精心策劃的表演, 而所做的一切都是為了我們好.
Ｘ檔案? MIB 星際戰警? 共和黨與民主黨? 不, 我說的是量子宇宙. 這是真正的終極邊疆, 如果我們想了解時間的開始與結束, 以及我們經驗宇宙的客觀現實, 就必須好好地探索它. 科幻小說家最狂野的幻想跟量子宇宙的特質相比還差得遠呢.
亞伯特˙愛因斯坦不喜歡他所促成的量子理論, 因為它有 "長距離的詭異行為" [spooky action at a distance]. 如我在第 11 章提過的, 他對 ESP 也有類似的懷疑. 不消說, 其關聯並未消失於各種 ESP 的倡議者之間, 因此量子力學在本書中已經被提過許多次. 這裡有個重要的議題, 比物理更適合當作黃金八點檔. 這個議題叫做 "糾纏" [entanglement].
當粒子系統的波函數是由不同狀態的相干加總組合而成的時候, 在每一個狀態中單一粒子的配置跟其他粒子有關 (例如, 某顆粒子是上自旋, 另一顆是下自旋), 而粒子不是獨立的: 量測某一顆粒子同時也可以決定另一顆粒子的性質必須為何. 這種狀況似乎導致一個 "詭異" 即時通訊的辦法, 即使必須跨越巨觀下很大的距離 - 也就是顯然比光速更快的通訊.
這種顯然很難成立的現象有個例子, 是愛因斯坦跟他在普林斯頓的兩個同事, 波里斯˙波多斯基 [Boris Podolsky] 及納森˙羅森 [Nathan Rosen], 在 1935 年因為一個頑皮的念頭而做的實驗. 最好的解說方法是想像一個雙粒子系統的創生, 由於這個雙粒子系統的總自旋量為零, 所以測量時兩個粒子的自旋方向剛好相反. 描述這個系統的波函數會包含 A 粒子上自旋而 B 粒子下自旋的狀態, 還有相等係數的相反狀態, 因此測量到任一種狀況的機率是一樣的. 只要兩顆粒子不受干擾, 這個波函數會持續到它們分開為止.
對系統的量測來說, 這意味著什麼呢? 假設我量測了 A 粒子, 在量測之前它上自旋的機率是 50-50. 當我量測時, 我發現它處於上自旋狀態. 既然兩個粒子的總自旋為零, 表示量測 B 粒子結果會是下自旋. 如果我在量測 A 粒子之前先量測 B 粒子, 那麼 B 粒子為下自旋的機率就只有 50-50. 所以, 藉著先量測 A 粒子, 我改變了 B 粒子的自旋機率 - 從 50-50 可能下自旋變為 100% 下自旋. 神奇的事要發生了. 如果我量測 A 粒子時, B 粒子已經離開 A 粒子, 正越過 4 光年外的半人馬座α星呢? 藉著改變這裡的 A 粒子, 我可以即時影響靠近半人馬座α星的觀測者所量測到的結果!
最近在日內瓦進行的一項實驗, 就藉著量測相隔 10 公里的兩個 "糾纏" 光子, 測驗了這個構想. 當然, 他們仍舊保持關聯, 對其中一顆粒子的量測會立刻影響到另一個的配置.
這怎麼可能呢? 這難道不違反我之前提過非常重要的因果規則嗎? 呃, 並不會. 因為在量測之前我並不能控制 A 粒子的自旋狀態, 所以我也無法利用自旋傳遞任何資料, 影響在半人馬座α星量測 B 粒子的人.
儘管如此, 如果你對這一切還是感覺很不對勁, 其實大家都一樣. 我們的傳統直覺告訴我們, 就算無法利用兩顆粒子來傳遞超光速訊息, 它們彼此還是不可能以超光速通訊. 然而, 從純量力的眼光來看, 這兩顆粒子從未真正處於獨立的狀態. 我們喜歡把它們想成分開的粒子, 但那只是因為我們精緻的古典主義在作祟. 它們並不是分離的實體; 它們是一個完整量子的一部份. 此外, 在我首次量測之前, 沒有任何一顆粒子是上自旋或下自旋; 它們只是一個總自旋為零的組合其中的一部份而已. 我對 A 粒子的測量使得這個系統的波函數 "崩潰", 所以量測之後兩種組合只剩一種. 直到量測為止, 粒子 A 跟粒子 B 以及它們的互斥 [mutually exclusive] 自旋是糾纏在一起的 - 也就是, 它們的共同狀態由單一的波函數決定.
好, 如果宇宙在基本層面上是量子力學的, 那麼我們不也全都是某些宇宙波函數的一部份嗎? 每當我眨眼的時候, 我是否影響了所有其他事物的狀態呢? 這是從之前討論的現象做出的邏輯推論, 如果是真的, 那麼我取笑占星學家就太愚蠢了.
呃, 或許我很愚蠢, 但不會是為了這個原因. 事實上, 我們知道在微觀下看來怪異的事並不足以影響巨觀的結果 - 看看我們身邊就知道了. 前面系統中兩顆粒子中的任何一顆, 在測量前都可以看成同時擁有上自旋跟下自旋, 但我們經歷的世界卻完全不是如此. 我的電腦螢幕一直在同樣的地方跟我面對面, 直到我想把它丟出窗外為止. 然而在我寫作這麼多年來, 它從未同時出現在兩個不同的地方, 至少在我醒著的時候是如此.
傳統世界就是傳統的. 那就是為什麼量子力學這麼怪異的緣故. 我們如何從粒子的量子世界過度到人類的傳統世界呢? 其實應該是, 我們是如何進行量測的呢? 當我將蓋革計數器 [Geiger counter] 暴露在輻射粒子中, 粒子在量測前可能存在於不同量子狀態的總和 (或者用這個領域的術語來說, 是疊加), 但我的量測儀器卻不是如此. 它要不是發出喀嗒聲, 要不就沒聲音. 絕不可能同時做這兩件事.
這個量力量測問題的典型例子有點老套, 但還是很有啟發性. 它幾乎跟量子力學本身一樣老. 這個理論的傳統弔詭並未因其創造者而消失. 他們拒絕讓弔詭拖累他們的研究, 因為這個理論不斷地提供新的預測, 可以解釋其他無法解釋的實驗結果. 在 1935 年, 量子理論的發明者之一, 澳洲 [Australia] 的物理學家爾文˙薛丁格 [Erwin Schrodinger], 設計了一個他所謂的 "鬧劇" [burlesque] (譯註: 為諷刺或搞笑的滑稽模仿歌舞雜劇, 有時包括低級的脫衣舞), 跟貓不適時的死亡有關, 說明當巨觀物體跟微觀物體糾纏在一起的時候, 量子宇宙會變得多麼荒謬. 薛丁格的貓放在封閉的鋼盒中, 裡面有一小瓶氰酸 [prussic] 放置在榔頭下, 還有一個試管裡面裝了微量的放射性物質 - 其份量足以在一小時內讓一顆放射性物質的原子有 50-50 的機率衰變, 並放出一顆電子, 觸動偵測器傳遞訊號給榔頭, 然後榔頭會掉下來壓碎玻璃瓶, 釋出毒氣殺死貓. 如果每顆放射性原子的波函數, 在我們於一小時後打開盒子以 "測量" 系統前, 都能包含衰變及未衰變狀態的相干總合, 而且如果這隻貓的健康狀況也清楚地跟這些狀態彼此關聯, 那麼我們是否必須認為這隻貓處於生與死兩種狀態的疊加?
當然不. 沒有任何人曾經看過這種疊加, 或許只有Ｘ檔案除外. 貓要不是生就是死, 不可能兩者皆是. 在貓跟原子尺寸的物體之間有根本上的不同. 但那是什麼?
答案之一曾經成為科幻小說的飼料, 因為它認為我們的宇宙比我們感知到的要複雜無限多倍 (沒錯!). 還有什麼小說能比這更有啟發性的呢? 這個答案以 "多量世界" [many worlds] 的名稱成為盛行的量子力學詮釋, 指出貓跟粒子之間的根本不同在於我們看得見貓. 把我們自己跟我們的意識當成量力物體, 我們可以想像我們也跟貓, 毒藥儀器以及盒子糾纏在一起了. 在我們觀察 (或說 "測量") 貓的狀態之前, 有兩種結合的配置組成描述儀器, 貓及我們的波函數 - 沒衰變, 貓還活著, 我們打開盒子的時候很驚喜; 或是粒子衰變了, 貓死了, 我們打開盒子的時候是悲哀的景象. 當我們觀察貓的時候, 我們讓波函數潰縮成兩種可能之一. 每當我們的意識行動時, 我們沿著宇宙量子波函數無限多的可能 "分支" [branches] 之一行進. 我們只感知到單一宇宙, 但那是因為我們被貶謫到我們所感知的宇宙之中. 我們的量子夥伴住在我們其他感知的宇宙中, 如果我們的貓活著, 他們的貓就是死的 - 反之亦然. 我的一個物理學家朋友常喜歡半開玩笑地說, 這種看法讓他感到安慰, 因為當他犯錯或錯過偉大的發現時, 他總會有某個波函數分支中的量子夥伴是沒犯錯的.
如果這個信念還不夠讓你感到安慰, 你可能常常會想跳進這些平行宇宙之一, 在那裡事情可能會變得對你比較好. 這當然就是武夫 [Worf] 在銀河飛龍的 "平行" [Parallels] 那集中遇到的情形, 他發現自己交替於跟荻安娜結婚及單身之間. 就我所知, 有部電視影集叫 "時空英豪" [Sliders] 的就是這樣, 有一群勇敢的探險家在宇宙之間跳躍; 在影集之間主角人物都相同, 但是某些重要的細節卻令人膽怯地週週改變.
還有, 至少一個以上的專業物理學家 (以及許多業餘的) 對外婆弔詭提出過一個很好玩的解答, 讓時光倒流遭了殃. 如果你回到過去, 但是回到平行的量子宇宙, 那麼殺你的外婆就無所謂了, 因為在原來 (大概也是你要回去的那個) 宇宙中你的外婆還是活得好好的. (這樣可能會有人想問, 既然總有某個宇宙裡的外婆會被卡車撞死, 那幹嘛還要大費周章地回到過去殺你的外婆呢?)
平行宇宙的概念很有意思, 但是在它們之間跳躍恐怕是行不通的. 量子力學的中心宗旨是, 一旦波函數崩潰, 許多選擇中的一個被決定之後, 就無法回頭了. 即使在 "多量世界" 的情形中, 一旦你感知到現實, 你就會陷在那個現實之中. 這個概念直接跟物理上一個稱為 "機率守恆" [Conservation of Probability] 的強力限制有關, 這個定理陳述一件很簡單的事: 某個測量的所有不同可能結果的機率總和必定為 1 - 也就是, 總有一個結果必須發生. 此外, 每次量測只能得到單一的結果. 一般來說, 任何允許你在不同波函數的分支間跳躍的模型, 都會違背這項定理.
我不追求平行宇宙以及在它們之間漫遊的可能性, 原因之一是我認為它們不夠周詳, 如西尼˙柯曼所說: 他們似乎企圖用傳統方式解釋量子力學, 好讓它跟我們的感知一致 - 而不是反過來. 對我來說更合理的方法, 是試圖將傳統世界視為基礎量子世界的近似, 只用純量子理論本身的語言來了解它, 而這需要一點時間發展.
有些重要的理解是最近才提出的, 也就是薛丁格提出他的弔詭約 60 年之後. 此外, 這幅圖片只發展出一般的架構; 它被稱做 "去相干" [decoherence] (別讓它跟你現在可能感覺到的混淆了). 基本的概念很簡單: 巨觀世界跟量子宇宙表現得不一樣; 所以, 傳統物體 (巨觀的物體) 不包含互斥可能的疊加.
如果巨觀物體是由量子物體組成的話, 這怎麼可能呢? 呃, 這是數量大小的問題, 也是巨觀物體所有成分間固定互動的問題. 我們再想想簡單的雙粒子系統, 其總自旋量為零. 它的波函數由兩個互斥的機率組成: A 上 B 下加 A 下 B 上. 但這個糾纏唯有在系統不與任何物體互動的情況下才能持續. 如果 B 粒子與 C 粒子相撞, 造成 B 與 C 粒子的自旋互換 (舉例), 那麼 A 粒子與 B 粒子的關聯就縮小了. 如果 B 跟一百萬顆其他的粒子產生了一百萬次這樣的撞擊, 那麼原本跟 A 的關聯很快就會被沖淡掉. 這個系統, 以及系統的波函數, 將會以 A 與 B 彼此獨立的方式演化下去. 用現代的說法, A 跟 B 將會去相干. 你可以想像 A 與 B 的相干疊加會因為之後的互動而短暫地重現一段時間, 但如果附近的粒子很多, 互動也多的話, 這個可能性就會越來越渺茫.
雖然巨觀下大量粒子聚集體 [aggregation] 的去相干操作細節還沒完全實現過, 去相干的概念看起來卻出奇地合理. 或許這並不如平行宇宙那麼有趣 (每次任何人有任何感知時, 獨立宇宙的個數就會增加), 但相較起來卻極其簡單. 而去相干顯示量子力學可以解決本身的問題 - 也就是說, 所謂的傳統限制只是由大量粒子組成的系統, 在互斥狀態沒有相干疊加時的限制. 組成傳統巨觀系統的大量獨立粒子之獨立量子狀態會很快地去相干, 而系統的波函數也會演變成許多不同狀態的總和, 但描述互斥巨觀配置的狀態 (比方說, 活加死的貓) 具有隨機的正負號, 最後會彼此抵銷總和. 此外, 去相干解決了本文一開始的問題: 我跟宇宙是否有某種量子疊加的關聯 - 以致於當月亮在第七宮而木星跟火星重合時, 和平會帶領行星, 愛情會支配行星? 不, 我沒有. 去相干只會保證我和木星的狀態在宇宙的波函數中沒有相干的巨觀疊加而已.
啊, 這個結論顯示了量子力學的神奇現象永遠只能出現在微觀的世界中, 跟我們將永遠沒有直接的關係. 但這也未必總是如此, 我相信我們的未來就在其中....
無疑地, 物理最令人興奮的實驗邊疆 (至少從技術的角度來看) 就是不斷開發巨觀應用的量子現象. 量子現象有兩種方式可以洩漏到可觀測的領域中. 第一種情形是巨觀的大量粒子聚集體在單一的量子狀態下共存. 正常來說, 巨觀的配置對應到許多許多不同的微觀狀態, 正因為如此才使得所有粒子的有趣相干配置在巨觀時被沖淡掉. 然而, 如果對應到可觀測巨觀狀態的所有粒子都只有單獨一種配置的話, 那麼就沒有東西來沖淡了.
近來這種巨觀表現出量子現象的最著名例子, 是所謂的玻色-愛因斯坦凝聚態 [Bose-Einstein condensation], 這是根據提出它的兩位物理學家而命名的. 首先我必須解釋, 自然界中的已知粒子可分為兩種 - 一種角動量含有 1/2 的自旋值, 而另一種的值為整數. 量子力學定律顯示, 具有整數自旋值的粒子會盡可能佔據同樣的狀態. 在數學上, 可以這樣表示: 如果我有一顆處於某量子狀態的整數自旋粒子, 那麼附近第二顆具有整數自旋的相同粒子, 處於相同狀態的機率會增加, 不論兩顆粒子間是否有其他的吸引力. 相同地, 處於同樣狀態的兩顆粒子, 其配置總能量會比處於不同狀態時要小. 但回憶一下 14 章, 對單一粒子來說, 獨立量子狀態間的能量差 (量子躍進) 是非常微小的; 所以一般粒子在室溫下的周圍能量就足以使他們輕易佔據許多不同的量子狀態.
然而, 如果我們將這種粒子系統冷卻到非常低的溫度, 也許是絕對溫度的百萬分之幾度, 根據預測粒子的量力趨勢在某些特定位置會變得明顯, 而整個配置會潰縮成單一的量子狀態, 也就是所謂的玻色-愛因斯坦凝聚態. 這個新的物質狀態跟一般巨觀物質的表現會非常不同, 因為它是處於純粹的量子狀態, 而不是許多不同量子狀態的正常巨觀疊加. 接下來你可以任意操作這個巨觀的配置, 就好像它是一顆龐大的巨觀粒子一樣. 這個凝聚配置的科技潛力, 就跟它作為探索物質特性之研究工具的潛力一樣, 非常大.
多年來建立真正的玻色-愛因斯坦凝聚態一直是原子物理實驗的聖杯, 一直到 1995 年兩個團隊才成功地把數千顆原子限制在玻色-愛因斯坦相, 持續了一分鐘左右. 在這個領域的研究仍然太過原始, 不足以導致任何實用的科技裝置. 然而, 在另一個密切相關領域中的研究卻已經得到不少好處.
在 1911 年, 荷蘭的實驗物理學家卡莫林˙翁涅斯 [H. Kammerlingh Onnes] 把液態的水銀降溫到攝氏 -270 度, 發現了一些神奇的事. 電流的阻抗突然完全消失了, 材料變成今日所謂的超導體 [superconductor]. 將電流引進超導線路迴圈中並移除電池, 電流仍可以持續流動數天, 甚至數週.
從翁涅斯開始, 超導體發展了很長的一段時間, 並且已經對我們的科技造成重大的衝擊. 如果你希望製造沒有電阻的電流, 以避免熱量聚積及浪費能源, 超導體是最直接的辦法. 舉例來說, 它們可以用在超級電腦 [supercomputers] 中, 因為內部數十億個緊密排列的儲存單元之間, 是不容許電流產生熱量的, 它們也被使用在高能加速器中, 那需要很高的電流, 但是熱量和電費不能太高. 超導體也是一種玻色-愛因斯坦凝聚態的形式, 但是由於粒子之間的額外互動, 卻可以存在於比純粹的玻色-愛因斯坦狀態更高的溫度. 一般的導體會有電阻, 是因為電流由獨立的電子攜帶, 而電子常常會遇到材料中的瑕疵及雜質, 並因此損失能量. 但是如果所有的電子都被連接在一起, 構成單一的量子狀態, 而這種狀態同時佔據整條電線的話, 所造成的電流會以整個配置同時移動, 而且不受電線中的微小瑕疵影響.
更接近科幻精神的是另一個發生可觀測量子現象的領域. 實驗者現在有足夠靈敏的工具, 可以操縱單一原子掉入所謂的原子陷阱 [atomic trap] 中. 此外, 他們也能操控電磁輻射, 將單一輻射量子限制在光纖 [optical fiber] 或空孔 [cavity] 內. 這樣隔離出的單一粒子, 不會受到一般的互動而導致去相干. 破天荒第一次, 人類終於可以直接研究獨立原子與輻射互動的基本量子性質. 此外, 所有著名的量力實驗, 包括糾纏, 包括傳統的愛因斯坦-波多斯基-羅森的提議, 都可以進行研究了. 到今天, 相對於那些認為測量的機率本質只是傳統理論近似值的理論, 這些實驗已經確認了量子力學的預測. 從我的觀點來看, 有能力從事 "量子工程" 以促進電流應用, 電閘以及量子電腦的使用, 確保了這種研究的偉大長程利益. 當我們能將開關及馬達的尺寸縮小到原子級 (小到我們的傳統預期失效) 的時候, 全新的科技世界將不像 20 世紀的微軟 [Microsoft] 宇宙, 反而更像 23 世紀的 Star Trek 宇宙, 並且會以我們尚無法想像的方式召喚我們.
當我們的想像受到刺激的同時 (這正是科幻跟我認為現代科學該有的樣子), 這些人體尺寸的量力產品跟尺度的兩極化相比將黯然失色, 也就是我們能想像的最小距離, 以及整個宇宙的大小.
回想一下, 量子力學的基礎建構在有限系統狀態的不連續本質之上. 這種不連續的本質意味著, 不但原子中的粒子, 或固體中的原子, 其能階是不連續的, 連電磁輻射 (所有種類的輻射) 也是不連續的能量團. 在電磁學裡, 這些能量團叫做光子, 它們不只負責攜帶電磁訊號, 同時還傳遞電磁力.
好, 牛頓的重力定律跟愛因斯坦的相對論都告訴我們重力跟電磁力很像, 只不過重力微弱得多. 那麼以這種類比來看, 自然界中應該也存在類似光子的粒子, 可以傳遞重力才對. 我們把這種粒子叫做重子. 到目前為止這還沒什麼問題. 然而, 要記得廣義相對論告訴我們, 重力基本上是跟時空本質及曲率有關的. 事實上, 重力根本就是時空本身曲率造成的結果. 我們對時空的概念認為這些是連續的; 然而, 從基本粒子彼此因為靠近, 而使得重力互動增強的尺度來看, 如果我們想要用量子重子來描述這種互動, 那麼視時空為連續的傳統概念就沒有意義了. 現在, 人們正在不斷地試探, 企圖找出可以取代它的概念.
這種效應變得顯著的尺度是難以想像的渺小: 這種尺度相對於原子大小的比例, 甚至要比原子相對於太陽系的比例還要更小! 然而, 自然界中有兩種情況可能讓粒子靠得夠近, 而使重力的量子本質變得重要: (1) 物質在黑洞中崩潰的最後階段, 以及 (2) 宇宙開始的時候.
在這兩種狀況下, 物質的密度高到使量子重力效應變得非常重要, 產生所謂的量子奇異點 [quantum sigularity]. 它有某種特徵 [cachet]. 它唸起來很順口, 難怪常常在電視電影裡聽到, 不論是 Star Trek 或是魔鬼剋星 [Ghostbusters]. 或許它的吸引力與人類所經歷其他有吸引力的觀點相同. 在量子奇異點中, 任何事都可能發生! 我們所熟知的物理定律, 在這裡通通失效. 量子效應會變得非常顯著, 甚至可以改變時空的本質. 或許, 就像虛擬基本粒子一樣, 量子效應會在微小的尺度下創造全新的宇宙. 最刺激的是, 或許我們的宇宙本身就是從這樣的量子過程開始的.
這些概念擄獲了科幻小說家的想像. 我還記得在當研究生的時候, 讀過一篇特別有趣的小故事 (唉, 名字我早就忘了), 作者是科幻小說家史丹尼斯羅˙林姆 [Stanislaw Lem], 故事裡的宇宙是由量子事件創造出來的. 我當時完全接受了這個概念, 因此我的博士論文對於早期宇宙的重力特質有一些 (現在回想起來) 瘋狂的臆測, 並為此在論文中向林姆致謝. 但是宇宙的量子創生概念也吸引了不少著名的理論物理學家及數學家的想像.
這些都是我在家裡, 收到那些物理學家回答我問他們最想知道的一件事才知道的. 加州理工的相對論專家, 同時也是作家的奇普˙索恩 [Kip Thorne] 回覆他 "最想知道量子重力定律, 以及它們對下列各點有何意義: (1) 宇宙如何起源, (2) 有沒有其他的宇宙, (3) 黑洞中心的奇異點本質, (4) 宇宙是否能由這種奇異點產生, 以及 (5) 時光旅行是否可回到過去." 這或許已經違反了我原本規定的 "你最想知道的一件事", 但是我願意忽視這一點, 因為顯然奇普的五個問題 (是物理前鋒最刺激的問題) 都彼此牽扯, 知道其中一個答案就等於知道所有問題的答案了. 然而, 第 2 跟第 4 題或許最為重要. 如果我們的宇宙並不是唯一, 如果我們的宇宙可以由混亂的量子過程產生, 那麼我們由科學和未來所定義的整個自然界, 都可以改變.
這也正是另外兩位出色的理論物理學家回覆我的內容. 他們一位是諾貝爾獎得主, 德州大學奧斯汀分校 [University of Texas at Austin] 的史蒂芬˙衛因堡 [Steven Weinberg], 另一位是加州理工的約翰˙普利斯基 [John Preskill], 他在 1970 年代正好是衛因堡在哈佛的學生, 後來跟我一起在哈佛任教. 最近普利斯基跟奇普˙索恩聲名大噪, 因為他們跟史帝芬˙霍金打賭是否可能有 "裸態" 的奇異點 (非處於黑洞深處的奇異點) 結果賭贏了 (索恩跟普利斯基堅稱這種奇異點可能存在, 而最後霍金承認了這一點). 我從剛開始成為物理學家的時候就認識這兩個人, 他們本來是我的老師, 後來是我的同事. 令我感到神奇而且欣慰的是, 思想深刻的這兩人都回覆我幾乎相同的問題. 他們都想起之前 (普利斯基特別點明) 愛因斯坦也被問過, 他最想知道宇宙的事是什麼. 他回答的是, "我最想知道的是, 上帝在創造宇宙的時候, 是否有任何選擇."
如果我們的宇宙不是唯一, 那麼懷疑我們發現的自然定律並非唯一是很合理的. 用另一種方式來說: 是否有任何方法可以建立一個合理的宇宙? 是否有任何邏輯上的瑕疵, 妨礙了我們居住宇宙之外的任何其它時空四維宇宙, 其物質, 輻射以及粒子間力的一致性? 如果是的話, 那麼解釋可見宇宙的 "萬物定律" 就能完全解釋我們為什麼存在於此. 如果不是的話, 那麼我們的存在及我們宇宙中的相關自然定律或許就不是非常地基礎. 我們所推導出的物理定律可能事實上是完全沒有邏輯關聯的. 如同衛因堡說的: "它們 (指物理定律) 所具有的特質, 是否不容許任何不會導致錯誤的微小改變?" 普利斯基用更詩意的方式講出類似的話:
我想像有一個智者可以供我發問. 他知道任何事情, 但我只能問一個問題, 所以我最好善用它! 我想問的事情那麼多, 問題的措詞必須很精準, 好讓我聽到答案就知道它代表的意義是什麼....你沒那麼說, 但我決定把答案限制在只有是與否 - 我只會知道這個宇宙的一點點資訊.
我要問智者的問題是: "物理是環境科學嗎?"
在智者回答之前, 我會先向他解釋問題的涵義. 我想知道我們所觀察到的宇宙特徵 (比方說, 基本常數的量值, 例如宇宙常數, 精細結構常數 [fine-structure constant], 夸克與輕子 [lepton] 的質量....等等) 是真的可由基本定律預測, 還是在決定他們的量值時, 機率也扮演著重要的角色? 我們的宇宙是唯一可能的一個, 還是許多可能之一? 如果是許多可能之一的話, 那麼我們若不觀察宇宙的性質, 就無法由基本定律了解宇宙; 也就是說, 物理是環境科學 (像生物學一樣). 我們所居住的宇宙, 是由歷史早期發生的許多 "凍結意外" [frozen accidents] 決定的.
就某方面來說, 這是愛因斯坦著名問題的另一種說法: "上帝在創造宇宙的時候, 有任何選擇嗎?" 對我來說, 知道答案很重要, 這樣我們才能定出基礎物理學該有的終極目標. 我們尋找 "萬物理論", 一個所有基本粒子與力的高度預言性理論. 但或許當我們知道這個理論時, 太多的預言反而會讓我們迷惑. 如果物理真的是環境科學的話, 那麼我們想要了解宇宙為什麼是今天這個樣子的夢想, 就永遠不可能完全實現.
所以看來連科學的未來最後可能也還是會回歸到量子力學的本質. 如果量子程序顯示即使我們宇宙的創生也是機率事件, 那麼我們存在的相關條件或許會跟其他可能的條件大不相同.
然而, 當我考慮未來的時候, 對我來說即使量子力學最後反而顯示我們的存在是比之前更大的宇宙意外, 對那些認為我們的存在很重要的人來說還是有其光明面. 因為, 到最後, 量子力學或許能提供我們終極的救贖.
我開始寫這本書的時候, 用科幻電影 "地球末日" 的觀點開了一些玩笑, 是為了替之後的論點鋪路: 地球將來會有更嚴重的後果, 不論是否有邪惡的陰謀或是外星人, 地球會在 50 億年之後被太陽吞沒. 如果我們夠幸運, 且/或富於機智的話, 我們的 DNA - 或者至少我們的智慧, 如果我們能把那轉移到矽基生命型態 (我是說電腦, 不是 "霍塔") 的話 - 或許能從大變動中存活, 而兩者之一互許能以某種形式到恆星間探險. 但危險仍將接踵而來. 最後, 如果可見宇宙沒有在大坍縮 [Big Crunch] 中崩潰的話, 那麼大概在一千億年後, 我們銀河 (以及所有其他人的銀河) 中的所有恆星都會燒盡, 任何後裔都必須尋找新方法來儲存及利用能源. 目前的粒子物理預測, 從現在起十億兆兆年之後所有的物質都會衰變成輻射. 那似乎預先宣告了宇宙中智慧生命的終極末日.
真的嗎?
只要還有能源可開發, 難道我們不能將能源回收轉成物質, 至少讓我們身體的局部維持穩定的物質態嗎? 但那不能持續到永遠. 熱力學第二定律告訴我們這種權宜之計最後終究會失敗, 因為宇宙最後會變成一個均勻的熱水池, 在那裡面沒辦法做任何有用的功. 但我認為即使到那時仍可能還有希望. 如果我們的可見宇宙只是許多可能宇宙中的一個, 而每個可能宇宙中的物理定律又可能不同, 那麼我至少想到兩種可能性, 讓智慧生命可以繼續演化下去. 我們或許能建立足以自行發展的新嬰兒宇宙 [baby universe], 而我們存在的遺跡或許能逃脫被熾熱的死亡所吞沒的宇宙, 進入嬰兒宇宙中. 否則更可能的是, 宇宙包含了許多尺度夠大的分隔區域, 而我們的可見宇宙只是其中的一部份. 這個總宇宙 [metauniverse] 可能有某種結構, 而其中的子宇宙 (每個都有不同的物理定律, 不同的基本常數....等等) 最後終究都會合併. (我這是在形上學 [metaphysics] 的邊緣遊走. 當我將這個概念與目前定義較嚴謹的物理結合時, 我猜想這種子宇宙可能還是會保持彼此分開. 但你還是可以抱持著希望.) 我不知道當兩個物理定律不同的區域合併時會冒出怎樣的火花. 它是否足以給我們一個新的開始, 誰也不知道.
目前這個部分最好還是先留給科幻小說家吧. 歡迎你們想像你們自己的劇本. 誰知道呢? 我可能很快就會在電影裡面看到了. 也或許那個編劇就是我. 不管怎樣, 我的角色就像 "耶誕未來的幽靈" [Ghost of Christmas Future] (譯註: 這個詞改編自狄更斯 [Charles Dickens] 的小說 "耶誕頌歌" [A Christmas Carol]): 這些沉思的目的並不在於主張未來將會變得如此, 而是要啟發人思考這些可能性. 更重要的, 我希望它們能提醒人類, 即使外星人並未侵入我們的日常生活, 長遠來看事實的真相可能會比科幻更加奇怪.
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