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霍金腦中宇宙的不同面貌:蟲洞、嬰宇宙與黑洞──《時空旅行的夢想家:史蒂芬.霍金》

1980 年代晚期,霍金以名流身分遊遍全球,然而他在心中遊歷的距離,讓那幾趟行程相形見絀。早先惠勒便曾在 1956 年引進一種量子蟲洞(quantum wormhole)觀點,這時霍金更試行穿越這類蟲洞,行險深入更特異的地帶,他要進入嬰宇宙(baby universes)。

讓我們隨他站在空間和時間之外,從更好的角度審視。

宇宙氣球新風貌:看不見卻可能隨時發生的「嬰宇宙」誕生

霍金要我們想像一個龐大的氣球以高速膨脹。那個氣球就是我們的宇宙,球面的小點是恆星和星系,小點讓表面凹陷或起皺摺。根據愛因斯坦的預測,當物質和(或)能量出現,時空也隨之扭曲。

首先,讓我們將宇宙想像成一個持續膨脹的氣球…… 圖/pexels

當我們以一台倍率不高的顯微鏡來檢視宇宙氣球(cosmic balloon),表面儘管遍布皺摺,看來卻仍相當平滑。改用倍率高的顯微鏡,我們就會察覺表面終究並不平滑。球面看來彷彿劇烈顫動,形成一團朦朧模糊的景象。

測不準原理讓量子層級的宇宙變成非常模糊,一顆粒子的位置和動量,永遠不可能同時明確得知。我們能以一種設想來描繪出這種量子不確定性的相貌,想像每顆粒子都不斷顫抖並表現隨機細微的振動。我們愈貼近觀察,顫抖也愈劇烈。全神貫注詳細審視量子層級,我們充其量只能表示,一顆粒子有這個機率出現在這裡,或有那個機率像那樣移動。宇宙氣球的表面也同樣無法預測。若以夠高的倍率來觀看,量子擾動就會變得極度混沌,於是我們就可以說,那種擾動有可能正在進行任何事情

霍金認為這種「任何事情」有可能是指什麼?他在 1980 年代晚期曾經投入思忖,宇宙氣球裡面生成一個細小凸起的機率為何。就我們比較熟悉的派對氣球而言,若球面有一點脆弱部位,那裡就會鼓起。通常派對氣球一出現這種情況就會立刻爆裂,不過偶爾會出現罕見事例,表面鼓出一個細小氣球。假使你能見到我們的宇宙氣球出現這種情況,那麼你就見證了一個嬰宇宙的誕生。

這看來相當壯觀:一個宇宙的誕生。

我們有沒有機會目睹這種事件?不可能。首先,那不是一種發生在「實」時間的現象,而是發生在討論的「虛」時間。還有個理由讓我們見不到它:霍金表示,因為若有任何東西真正稱得上從小開始,那就是宇宙了。我們的宇宙和新生嬰兒之間的連接通道(稱為臍帶亦無不可),寬約只為十的負三十三次方釐米。若想寫成分數,你可以在分子處擺個「1」,分母則寫上「1」後面跟著三十三個「0」。那是相當小。開口處(號稱蟲洞)就像細小的黑洞,閃爍現形倏忽消失,間隔短得無從想像。

我們可以把能量場的擾動現象想成一對對非常短命的粒子。蟲洞同樣是構思這種擾動的一種方式,不過這次擾動的是時空紋理:宇宙氣球的表面。

霍金的設想是,附著於這種臍帶的嬰宇宙有可能並不短命,同時,開頭很小也不見得永遠保持很小。他的想法是,到頭來新生宇宙就有可能膨脹成像我們的宇宙這般模樣,延伸跨越數十億光年。就像我們的宇宙,裡面什麼都沒有?不盡然。

霍金指出:「任何尺寸的宇宙都有可能從重力能量生成物質。」接下來就有可能形成星系、恆星、行星,說不定還有生命。

嬰宇宙和成年宇宙都為數眾多嗎?宇宙會不會從任意地方分支出來?從廚房洗碗槽內?從你體內?霍金說:會!新生宇宙有可能在我們周遭不斷生成,甚至從我們體內各點現形,我們的感官卻完全察覺不到。

你說不定會感到納悶,我們的宇宙初生之時,會不會就是另一個宇宙的側邊凸起。霍金宣稱是有可能的。我們的宇宙有可能是處於宇宙無邊迷宮的一環,各個宇宙分支出現彼此結合,就像無窮無盡的蜂巢,裡面不只有嬰宇宙,連成年宇宙也在其中。兩處宇宙有可能在不只一處定點生成蟲洞連接管道,說不定有好些蟲洞與我們自己這處宇宙的其他區域相連,或者連往其他時間(如下圖)。

在量子篩網裡面過日子:粒子是否可能墜入蟲洞?

讓我們盡情發揮想像力,從一顆電子的視角來觀看這一切現象。假定宇宙任何定點都有千兆顆黑洞閃爍生滅,那麼一顆電子所面對的事物,也就類似龐大一鍋瘋狂沸騰的濃粥。在裡面通行,就像在一道不斷變動的篩網裡面穿行同樣棘手。一顆電子在這種環境裡面試行採直線移動,肯定是要遇上蟲洞,落入其中,接著就被射出,進入另一處宇宙。這樣講似乎十分可疑,物質彷彿會從我們的宇宙消失,而這是不容許的。然而根據這項理論,物質安全無虞,不會消失。另一顆一模一樣的電子會從其他地方冒出來,回到我們的宇宙。

難道我們不會注意到這種電子替換現象?我們不會這樣看待這種事情。在我們眼中,這種事件就像一顆電子沿著直線行進。然而當蟲洞出現,霍金的想法是,這時所有的移動電子,彷彿都像具有較大質量,超過沒有蟲洞的情況。所以,倘若我們試行以任意理論來預測粒子的質量,這時就有必要知道,是否真有所謂的蟲洞。

依理論所述,若一顆電子由一顆光子伴隨一道墜入蟲洞,看來就毫無異常之處。我們只會觀測到電磁交互作用的媒介子正常交換,其中一顆電子會發射一顆光子,再由另一顆予以吸收。霍金的推想是,或許所有粒子的質量和所有粒子的交互作用(在宇宙全境永不停息的四力作用力活動),都可以用這種進出蟲洞的現象來解釋。

科幻故事中對於「蟲洞」的想像畫面。圖/Genty@pixabay

讀到這裡,或許你要合理質疑,粒子怎麼有可能穿過蟲洞。蟲洞遠比我們所知的任何最小粒子都小。誠如霍金輻射的情況,不論我們如何試行構思全貌都行不通的事例,在量子力學卻有可能成真。

霍金投入計算蟲洞對粒子(如電子)的質量會產生什麼影響,初步計算結果指出,粒子質量遠比我們實際觀察所得還大。後來他和其他研究人員,設法求得比較合理的數值。不過到了 1980 年代末期,霍金便提出質疑,不肯定蟲洞理論能不能預測我們所處宇宙或其他宇宙的粒子質量。

當某種狀況必須直接測定,無法以理論來預測,這種狀況就稱為恣意元素。就迄今所有人設想的理論來講,粒子質量和所有力的強度,完全都是這種恣意元素。蟲洞理論恐怕無法稍減這類事物的任意特性,卻有可能解釋為什麼它們恰好都是任意的。

霍金的想法是,粒子質量和其他自然界常數(fundamental numbers in nature),說不定根本都是量子變數(quantum variable)。這也表示,它們說不定都是不明確的,好比粒子路徑,或如發生在宇宙氣球表面的現象。每個宇宙的這類數量,都會在創世之際隨機訂定。可以這麼說,若是擲了一把骰子,這類數量就在那個宇宙拍板敲定,不過從理論不能知道骰子會開出什麼結果,說不定連哪種結果比較有機會出現,都沒辦法判定。蟲洞理論是不是也有這種情況,這點霍金沒有把握。

不過,後來他又回頭思索另一種觀點,那就是自然界常數,甚至還包括自然定律,說不定是因宇宙而異,而非普適全體所有宇宙的基本原則。

  • 編按:由這裡的蟲洞猜想,衍伸出許多科幻故事中「前往其他宇宙」的想像;不過恐怕霍金不太同意有任何比粒子還大的東西有機會穿越蟲洞。

 

本文摘自《時空旅行的夢想家:史蒂芬.霍金》,時報出版,2017 年 12 月 12 日。

 

 

關於作者

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