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創世紀的終極祕密:我們住在多重宇宙?

日前南極BICEP2望遠鏡疑似偵測到重力波證據,顯示宇宙誕生初期可能真的曾急速暴脹。

我們的宇宙可能只是暴脹汪洋中的一顆泡泡,別的地方還有其他泡泡同時存在?

新證據讓我們又窺見一點宇宙起源的線索。

【文/約翰‧葛瑞賓(John Gribbin)  譯者/甘錫安】

一個生一個的多重宇宙模型。這種版本的可能性似乎越來越高。

一個生一個的多重宇宙模型。這種版本的可能性似乎越來越高。

想親眼目睹宇宙誕生時的狀況,地球上只有一個地方可去,就是南極。南極十分寒冷(溫度鮮少高於攝氏零下30度),所以空氣永遠清澈,很適合觀察宇宙誕生爆炸留存至今的極微小能量。所以在這個極南之地,有三具望遠鏡描繪分散在太空各處的輻射的微小波長,這種輻射稱為宇宙微波背景輻射(CWB)。這三具望遠鏡中的BICEP2及研究人員今年稍早疑似偵測到重力波,可能證實了愛因斯坦的暴脹理論。

暴脹解釋了我們的宇宙如何誕生,但它也指出可能有其他宇宙以相同的方式誕生,因此暴脹的證據同時也證明多重宇宙確實存在(至少在某些情況下是如此)。BICEP2科學家宣稱發現的正是暴脹的證據。

無中生有

大霹靂理論在科學界的地位穩固。這個理論解釋了宇宙如何從灼熱的緻密狀態(密度和原子核相仿)快速膨脹,成為我們目前所見的恆星和星系。這個灼熱的緻密狀態就是「大霹靂」,這個概念在1980年代初期就已確立,但宇宙如何演變成這灼熱的緻密狀態,仍然是個大謎團。大霹靂之前究竟發生了什麼事?美國宇宙學家艾倫‧古斯(Alan Guth)發現在宇宙誕生的瞬間,「對稱破缺」(symmetry breaking)的過程可能釋出極大的能量(類似蒸汽凝結成水時釋出潛熱),使宇宙歷經急速膨脹的「暴脹」階段,然後才是先前一般所熟知的大霹靂。在暴脹過程中,宇宙呈指數變大,每百兆兆兆分之一秒1038分之一秒)膨脹一倍。生於俄國的美國人安德烈‧林德(Andrei Linde)和其他科學家進一步發展這個概念,用以解釋我們的宇宙為何能憑空出現。

這個概念完全依靠「量子擾動」的概念,以及重力位能為負的奇特事實。量子理論指出,粒子能憑空冒出,只要它們在極短的時間內再度消失就行了。舉例來說,成對的電子和正子可能會向虛空「借用」能量而突然出現,又在不到一秒內很快地消失,歸還借來的能量。這類粒子稱為「虛粒子」,儘管我們無法直接看見它們,但可由「真實」粒子間的互動觀察到虛粒子造成的影響。最重要的是,參與這類擾動的質量越大,可存在的時間越短。

因此「質子與反質子對」存在的時間比「電子與正子對」來得短,依此類推。重力位能為負的性質在這裡發揮很大的作用。如果構成太陽的所有原子分散到無限遠,則它們擁有的重力位能為0,因為兩個粒子間的重力與兩者間距離的平方成反比。

但如果這些粒子集中起來形成恆星,就會互相推擠,釋出重力位能轉換為動能而變熱(太陽等恆星形成時確實會經歷類似的生熱過程)。重力位能一開始是0,所以現在的能量應該小於0。簡單計算就可得知,如果所有物質塌縮成一個點,依據愛因斯坦的著名方程式,這些物質釋出的總重力位能將等於這顆恆星的質能。也就是說,此時這些物質的重力位能為負,這些物質的質能與重力位能相加會完全抵銷。這樣就會形成質量等於一顆恆星的一團物質,但總能量等於0。

某方面而言,這表示讓這些聚集在一點的物質膨脹開來,就能「憑空」製造出恆星。如果你覺得這樣很難想像,跟你一樣的人其實很多。物理學家喬治‧伽莫夫(George Gamow)回憶,有一天他向愛因斯坦提到這個構想時,「愛因斯坦驚訝得突然停下腳步,當時我們正在過馬路,好幾輛車不得不停下來,以免撞到我們。」

恆星如果是如此,那宇宙也不例外。量子物理學指出,含括宇宙所有質能的擾動可能會以緻密小種子的形式憑空出現。如果這就和電子與正子對一樣是在「借用」能量,則量子擾動應該很快就會消失,把「借用」的能量歸還給虛空。但由於質能正好會被負的重力位能抵銷,所以這類擾動沒有量子的存在時間限制。你或許會認為,強大的重力場本身應該會摧毀孕育中的宇宙,但暴脹這時發揮了作用。

古斯提出的對稱破缺可使這個宇宙種子快速轉變成灼熱的大霹靂狀態,接著持續數十億年的緩慢膨脹,宇宙則在這段時間逐漸冷卻,形成恆星和星系。大致說來,現在我們觀察到的宇宙萬物,是從比質子還小的區域(其實只有質子的十億分之一)在1030分之一秒內膨脹成籃球般的大小,大霹靂此時才接著發生。古斯表示,「宇宙可說是道地的無中生有。」

泡泡宇宙

但這樣難道只會產生一個宇宙嗎?加拿大圓周理論物理研究院的李‧施莫林(Lee Smolin)探討過這個想法:如果量子擾動可以創造出我們的宇宙,那麼我們的宇宙中出現量子擾動時,也可能誕生其他小宇宙。不過不用擔心,這類新誕生的宇宙不會在我們的宇宙中爆炸,摧毀周遭的一切。它會膨脹形成自己的空間,透過微小的蟲洞與我們的宇宙相連。如果這個想法正確,我們或許可以在威力和大型強子對撞機(LHC)差不多的加速器中讓粒子對撞,製造出小型黑洞,進而產生這類小宇宙。

這些說法當然只是推理而來,但林德提出了沒那麼天馬行空又比較簡單的暴脹理論。把廣義相對論的方程式略做修改後,數學所描述的空間就會永遠呈指數快速膨脹,林德將這種膨脹稱為「永恆暴脹」。這就是背景宇宙,含括所有的一切。在這個不斷膨脹的「世界外的世界」中,偶爾會有些區域停止暴脹,在暴脹的汪洋中形成泡泡,我們的宇宙就是這樣的泡泡。這樣看來,在暴脹汪洋的遠方還會有其他宇宙(其他的泡泡),就像我們打開汽水時液體中形成的許多氣泡。

優秀的科學概念可用來預測,這個概念也不例外。1980年至今,理論科學家提出了數種暴脹的預測,有些奇特到被批評為「耍花招」。不過其中最簡單的版本提出的預測相當清晰。在不到一秒的暴脹期間,宇宙體積反覆加倍,在空間結構中造成漣漪。這種稱為「重力波」的漣漪在宇宙後續的膨脹過程中不斷拉長,最後拉長到接近10億光年。

宇宙中不可能用其他方式製造如此龐大的結構。空間變形自然會影響通過的光,而通過這些重力漣漪的原始光線,就是我們現在觀察到的宇宙微波背景輻射。暴脹理論認為重力波造成的變形應該可由背景輻射的偏振方式觀察到(有在戴太陽眼鏡的人應該對於「偏振光」不陌生)。更精確地說,它會影響所謂的「B模」偏振,這是一種圓偏振,它的影響是把偏振描繪在天圖上時,會出現漩渦狀圖樣。BICEP2的實驗確實發現了這種圖樣,而且這種圖樣相當簡單。

生命恰好存在

他們的實驗結果符合暴脹理論基本版的預測,這是最容易研究的版本,對於宇宙學家來說是個好消息。實驗結果也排除了「早期宇宙沒有暴脹」的模型。古斯很高興得知這個消息,「BICEP2的觀測結果相當令人震驚。他們發現的重力波訊號比我們預期的更強烈。這項結果很可能會獲得證實,如果證實為真,將帶來全新的方法來研究暴脹的物理。」

如果多重宇宙中有其他「泡泡宇宙」存在,那麼很久以前可能有一或多個泡泡宇宙曾經碰撞我們的宇宙,就像兩個肥皂泡接觸後又分離。這類碰撞會在背景輻射的偏振中留下模糊但獨特的碟形圖樣。這類環形圖樣太大,BICEP2無法觀測到,但宇宙學家已經知道碰撞會造成哪些圖樣。英國倫敦帝國學院的丹尼爾‧莫特洛克(Daniel Mortlock)表示研究團隊「很仔細評估泡泡碰撞特徵偶然出現的可能性」。他希望普朗克太空船預計不久後釋出的最新資料會出現預期中的圖樣。

然而,這項新發現最重要的意義,或許是它說明了我們的宇宙並非獨一無二。如果永恆暴脹的說法正確(而且所有證據都支持這種說法),那麼我們的宇宙之外還有許多宇宙。這解釋了我們的宇宙為何看起來這麼適合人類這樣的生物生存。如果我們的宇宙別無分號,這個謎題很難解開;但如果宇宙有無限多個,有的適合生命、有的不適合,那麼「無法出現生命」的宇宙當然不會有生物注意到生命的存在。「能夠孕育生命」的宇宙才會有觀測者。我們在這裡觀察宇宙,正代表我們居住的這個宇宙適合生物生存。

【完整內容請見《BBC知識國際中文版》第39期(2014年11月號)。版權所有,轉載請註明出處。】

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