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為什麼我們的世界可以理解?-《世界是這樣運作的》

安德烈.林德(Andrei Linde),史丹福大學物理系教授;永恆混沌暴脹之父。

「這個世界最不可理解之處,就是它竟然是可以理解的。」愛因斯坦這麼說過。尤金.維格納(Eugene Wigner)也指出類似的問題,他說數學不合理的有效性是「一個我們既不了解也不配擁有的美好禮物」。

為什麼我們生活在一個易於理解的宇宙中,且有些規則可以有效地預測我們的未來?

當然,常有一種回應是「就這樣啊」也就是上帝創造了宇宙,並使其足夠簡單便於我們理解。應該這麼輕易就放棄嗎?讓我們考慮其他幾個類似的問題。為什麼我們的宇宙如此之大?為什麼平行線不相交?為什麼宇宙的不同部分看起來如此相似?長期以來,這些問題似乎過於形而上而不被認真思考。然而現在暴脹宇宙為上述所有問題提供了一個可能的答案。

要了解這個議題,我們來看一下不可理解宇宙的案例,其中數學是無效的。假設宇宙處於所謂普朗克密度(Planck density)狀態: r~1094 g/ cm3 時,大於水密度的九十四次方。根據量子重力理論,這時空中的量子波動是如此大,所有的測量尺會以混亂且不可預知的方式快速彎曲、收縮、擴展,快到你量不出它們的距離,快到你來不及測到任何時鐘的時間。所有先前事件的紀錄都被消除,這樣就不可能記得、也不能記錄任何事情並預測未來。對生活在那裡的人(如果生命可以存在的話)來說,宇宙是難以理解的,數學定律也無法有效運用。

龐大密度的例子看起來有點極端,但其實並非如此。宇宙有三種基本類型:封閉型、開放型、平坦型。在炙熱的大霹靂中創造的典型封閉型宇宙,除非開始時有個巨大的規模,否則會在 10-43 秒時崩塌為普朗克密度狀態。在大爆炸創造的典型開放型宇宙則會增長太快,以至於不可能產生星系,而我們的身體(如果我們幸運出生)將被立刻撕裂。在上述的任何一種宇宙中,沒有人可以居住其中,更不用說去理解。我們可以在一個平坦型或幾乎平坦型的宇宙享受生命(就是我們現在做的),除非有某些特殊事情(暴脹,見下文)發生,然後在大爆炸的瞬間,以難以置信的 10-60 精確度,進行精細的初始條件微調。

萬有理論(Theory of Everything)的最熱門人選――弦理論的最新發展,顯示一個有更廣泛可能性但不可理解的宇宙。如果認為我們的宇宙是弦理論所描述的那樣,是否意味著我們能了解一切周遭的世界呢?考慮一個非常簡單的例子:水可以是液態、固態和氣態的。從化學上來看是同一物質,但是海豚只有被液態水環繞時,才能以自己的方式理解並活在這個宇宙當中。在這個例子中,我們只有三種選擇:液體,冰或蒸汽。

根據弦理論最新發展,環繞我們的世界大約有 10500 種(或以上)選擇。所有選擇都遵循同樣的基本理論。然而,每個選擇的宇宙卻像由不同的物理定律所支配;它們共同的根源則被隱藏起來。由於有太多不同的選擇,人們希望其中某些選擇能描述我們生存的宇宙。但多數選擇都會產生一個我們不能住、不能打造測量設備、不能記錄事件,也不能有效運用數學和物理來預測未來的宇宙。

當愛因斯坦和維格納嘗試理解為什麼我們的宇宙可以理解,而數學可以如此有效時,人們都假定這個宇宙是獨特且均勻,且物理定律沒有一處不同。這個假設稱作宇宙學原理。我們不知道為什麼宇宙無處不同,我們只覺得理所當然,認為愛因斯坦和魏格納所描述的問題應該能適用於整個宇宙。在此脈絡下,近期發展只會讓問題更加激化:如果一個典型的宇宙如我們所知的對生命充滿敵意,那我們能偶然活在一個生命可存在且能夠理解的宇宙,實在是幸運無比。看起來這的確像個奇蹟,就像「一個我們既不了解也不配擁有的美好禮物」。我們有辦法比依靠奇蹟再高明一點嗎?

在過去的三十年中,我們思考世界起源與世界整體結構的方式發生了深刻變化。首先是我們發現暴脹,早期宇宙指數型的快速擴張使得宇宙平坦,從而具備適於生活的潛力。此外,宇宙快速擴張使我們住的地方非常同質;因此我們為我們觀測到的宇宙均勻性找到了解釋。但是我們也發現,在非常非常大尺度(遠遠超出了約1010 光年)之下,因為空間爆炸性擴張所放大的量子效應,宇宙變得百分之百的不均勻。

在弦理論與暴脹宇宙學相結合的脈絡中,我們的世界與其說像個不斷擴大的對稱球體,更像是一個多重宇宙――指數成長的大泡泡的超大量集合。其中每個氣泡看起來都像一個宇宙,而現在我們所說的「宇宙」,是形容前面那個大集合中,巨大而局部均勻的各個小部分。在這源自弦理論之低能量物理的 10500 種不同定律中,每一種定律都在各自的宇宙中運作。

在這些宇宙中,有一些的量子波動是如此巨大,導致任何計算都不可能;在那裡數學是無效的,因為預測無法被記憶和使用。有一些宇宙的壽命太短;其他宇宙長壽但空蕩,它們的物理定律不允許任何實體的壽命長到足以學習物理和數學。

幸運的是,在眾多可能的多重宇宙中,有一些宇宙可能有我們所知的生命。但那必要的條件是,多重宇宙中我們所在的那部分,運行的物理定律要能形成穩定且長壽的結構,而讓計算得以進行,我們的生命才有可能存在。這意味著,要有能用來做長期預測的數學關係。人類的快速發展之所以能存在,只是因為在多重宇宙中我們生存的那一個地方,長期預測如此有用有效,才讓我們能在充滿敵意的環境中存活,並在與其他物種的競爭中獲勝。

總而言之(概括而論),暴脹的宇宙包含了無數個「宇宙」,有著各種可能的物理數學定律在其中運行。我們只能活在物理定律允許我們存在的宇宙,因為要存活,就要做出可靠的預測。換句話說,數學家和物理學家也只能活在可理解且數學法則有效的宇宙裡。

你可以不理會我上面寫的,就當做是胡亂猜測吧。但有趣的是,過去三十年來發展的新宇宙典範脈絡中,我們或許第一次能處理那困擾了20 世紀兩大科學家的那個最複雜而神秘的問題。

1 譯注:永恆混沌暴脹(eternal chaotic inflation)其中的「永恆暴脹理論」認為宇宙的暴脹會無止盡持續;而「混沌暴脹理論」認為暴脹所需的條件實際上非常普遍。

11667239_1192021237481355_761864226_n本文摘自《世界是這樣運作的:150位引領時代思潮的一流科學家與思想家,革新你對這世界的看法》,由夏日出版社出版。

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