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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》

時報出版_96
・2018/03/15 ・2926字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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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。

 

 

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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掉進黑洞怎麼辦?跳入蟲洞來逃脫吧!前提是你找得到它——《解密黑洞與人類未來》
天下文化_96
・2021/12/31 ・1799字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • 作者 / 海諾.法爾克 (Heino Falcke)、約格.羅默(Jörg Römer)
  • 譯者 / 姚若潔

我小時候和父母住在一大棟公寓裡。公寓後方的庭院有一個沙坑和一小片草地,整個庭院由堅不可摧的牆圍住。我很想知道牆的另一邊有什麼,因此終於忍不住開始用指甲和棍子在石板之間挖了一個洞。對我的小手來說,這是極其艱辛的工作。我趁著大人沒注意的時候祕密進行了幾個月。洞漸漸變大,但我一直沒有成功穿牆,那堵牆實在太堅固了。

綠草田附近的白色混凝土建築
庭院後方堅實的圍牆。圖/Pexels

後來我大到可以上學了,忽然能夠探索牆後的世界——因為學校正好在牆後。那個過去未知的神祕領域,不需要穿過牆,只要離開後院,繞過房子,然後穿過一道大門,就能夠抵達。有時我們就是得多點耐心,等長大以後才能瞭解直接穿牆並不是正確的道路,而正確的道路需要繞點路。

對界線另一邊的想像

直到現在,我對於牆和邊界仍有股同樣的好奇心。另一邊有什麼?我們能突破自己的極限嗎?我們有辦法繞過黑洞的黑暗之牆嗎?在事件視界的某處會不會有個缺口,讓我們可以窺視裡面,或甚至繞進去嗎?

愛因斯坦在 1935 年與助理羅森(Nathan Rosen)討論黑洞內側的情況時,也問了同樣的問題。就數學上來說,方程式也容許與黑洞相反的天體,稱為白洞,東西只出不進。讓事情更加複雜的是,理論上白洞與黑洞有可能藉著一條「橋」相互連接,於是就有了東西從黑洞進去,再從白洞出來的可能。

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目前已經有許多證據顯示黑洞存在,但還沒有任何關於白洞存在的證據,圖為大麥哲倫星雲前方黑洞的模擬圖。圖/WIKIPEDIA by User:Alain r

在物理學上,這個架構後來稱為「愛因斯坦—羅森橋」(Einstein-Rosen  Bridge)。不過在五〇年代,普林斯頓教授惠勒透過一點聰明的行銷技巧,把這個假設性的結構重新命名為「蟲洞」(wormholes),此舉讓好幾代的科幻作家十分歡喜。根據愛因斯坦和羅森的建構,逃離黑洞不僅是可能的,蟲洞也能夠連接宇宙中相距遙遠的兩個區域,因而比光速更快的旅行也成為可能。甚至是穿越時間、拜訪另一個宇宙,也變得可以想像。

但是,數學上可能的事情,就是真的嗎?數學是一種抽象的敘述方法,是科學領域的神話,能夠描述真實經驗,也能夠同樣精采的描述神奇的幻想生物。存在於數學中的事物可能會存在於現實,但不是必然。而物理學家賴以維生的工作就是,區分可能與真實。

對於白洞和蟲洞,我們也面對同樣的問題:數學上兩者看似真實,但在物理上真的有意義嗎?我們還未找到宇宙間存在著蟲洞的線索。在產生 M87 的影像時,我們的確曾稍微考慮了一下那有沒有可能是個蟲洞,但它的大小並不符合預測。

讓事情更加棘手的是,蟲洞在數學上並不穩定,如果物質從裡面穿過,蟲洞會塌縮——至少根據理論是如此。為了避免蟲洞塌縮,必須發明一種可以產生反重力的新物質型態。反物質本身不符合這項要求,因為反物質和普通物質一樣,遵循同樣的重力定律。如果把反物質拋到空中,它也會落回地上——除非它在那之前就先發出一陣耀眼的毀滅性光芒,連同物質一起自我摧毀。

地面附近出現蟲洞的模擬圖。圖/WIKIPEDIA by CorvinZahn – Gallery of Space Time Travel

另一個問題是,就我們所知,能讓東西穿過的蟲洞無法自然形成。我們只能自己建造一個。對某些很有創造力的理論家來說,這不是問題,諾貝爾獎得主索恩(Kip Thorne)在《紐約時報》上宣稱:「既然我們對非常高級文明擁有的技術和材料完全沒有概念,我們物理學家就擁有無限的自由來建造可供穿越的蟲洞模型。」我對此持懷疑態度。即使蟲洞有可能存在,可是理論上也還無法保證它真的能實現所有神奇的特質。但我們仍可以抱持夢想。

——本文摘自《解密黑洞與人類未來》/ 海諾.法爾克、約格.羅默,2022 年 1 月,天下文化

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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一起寫下圓周率迎接 π day!你可以寫到第幾位?
PanSci_96
・2021/03/14 ・346字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 450 ・四年級

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「π 等於 3.14 」這個觀念在學生時期深植人心,平時我們加以運算也多是套用這個數字,更後面的位數便較少為人所記得 (。ŏ_ŏ)

一年一度的 3 月 14 日是圓周率日,它的確立首先由美國麻省理工學院倡議,到 2009 年美國眾議院正式通過將每年的 3 月 14 號設定為「圓周率日」(Pi day)。

3 月 14 日同時也是科學家愛因斯坦(Albert Einstein)和思想家卡爾.馬克思(Karl Marx)的生日,以及宇宙學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)的忌日。

為了度過這個特別的日子,泛科學準備了一小活動!想和大家一起接力蓋樓慶祝 Pi day!

參加方法如下:

1. 在本文底下留言任一數字進行接龍(你可以留了又留留了又留喔!)

2. 成功接到下一個數字的夥伴,留言框會出現藍色數字,表示你接到的位數

3. 接龍成功的科夥伴也有機會獲得我們的小獎勵ヽ(●´∀`●)ノ

現在已經來到小數點後 321 位囉!

共有 58 位科夥伴,用 666 則留言,一起寫下圓周率!
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