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為什麼我們的世界可以理解?-《世界是這樣運作的》

PanSci_96
・2015/07/19 ・2439字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

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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多重宇宙與量子力學的派系之爭
linjunJR_96
・2022/05/09 ・5054字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

  • 文/林祉均

從《瑞克與莫蒂》到最近的《媽的多重宇宙》和《奇異博士2:失控多重宇宙》,多重宇宙的浪漫概念一直是各種作品愛用的元素。主角穿越到其它平行宇宙中,遇見各種不同的可能性,實現未能完成的心願。

可惜的是,現實中似乎沒有這種好事情。眼睛所看到的世界就只有一個,一切就照著原本的劇本發生,沒有穿越或是重來的機會。

不過,這些幻想作品的描述,其實並不如你所想的這麼天馬行空。創作科幻作品所需要的想像力,對於科學家來說,其實也是重要的技能。打從二十世紀中期開始,正經的量子物理討論中,便出現了「多重世界」的說法。

「多重世界」是對於量子現象許多詮釋中的其中一種。實事求是的物理學家為什麼要訴諸這麼虛幻的說法呢?說到底,他們也是情非得已。這一切要從量子物理帶給他們的難題說起。

在量子時代前,物理學家的世界

在量子時代之前,物理學家用來解釋世間萬物的方法是「古典力學」與「電磁學」。

  • 「古典力學」是「牛頓運動定律」的進階版,解釋了「具有質量的粒子(物質)如何運動」
  • 「電磁學」則是一切電磁波相關技術(你的手機訊號)的基礎,解釋了「不具質量的能量如何在空間中以波動傳遞」。

「古典力學」與「電磁學」把世間分成「粒子」與「波動」兩種不同的問題來解釋,彼此井水不犯洪水,分別「近乎完美地」解釋所有日常生活中常見的現象,然而,有一個現象在深入研究之後,卻出現了矛盾,這個現象就是雙狹縫實驗(Double-slit experiment)

雙狹縫實驗的詭異之處

如果讓光束通過一條狹縫,會在後方的屏幕映照出中間較亮,兩側較暗的圖樣。奇妙的是,如果將實驗改成兩條狹縫,屏幕上的圖案並不會等於兩個單狹縫的圖案相加,而是會變成亮暗間隔的條紋。這種圖案只能由波動產生,因為波峰和波谷會互相抵銷,因此產生較暗的部分。

雙狹縫實驗成為了光是波動的證據,屬於「電磁學」解釋的範疇,後續的推導也證明了光是一種電磁波。

上圖為可見光的單狹縫實驗結果,下圖為可見光的雙狹縫實驗結果。圖/Wikipedia

如果故事停在這裡倒也還好,但後來卻觀測到「用電子或中子打入雙狹縫,也會得到跟光進入雙狹縫時類似的結果」。

電子經過雙狹縫後所形成的圖形,圖/Wikipedia

這問題就有點大了,因為電子或中子這些粒子的運動,在雙狹縫實驗時必須要跟光一樣,用波動才能解釋,傳統物理「粒子與波動」的二分法似乎失效了。

量子時代新概念——波函數(波包)

因應這些觀察,物理學家開始用「波動力學」來解釋雙狹縫實驗,也就是薛丁格方程式(Schrödinger equation)

「波動力學」是將所有物體都當成是「一小段波動」,也就是波函數,並寫下它如何隨著時間演化。原本的粒子現在變成像是下圖中一塊一塊的「波包」,在空間中隨著薛丁格方程式移動。

圖/Wikipedia

這些「波包」成功解釋了粒子如何在穿過雙狹縫後互相干涉,形成亮暗條紋。但問題是,沒有人看得到這些波函數(波包),在觀測時,看到的只有一顆顆電子通過狹縫撞在屏幕上。

雖然薛丁格所提出的方程式與運算結果完全符合實驗結果,但為什麼這樣算是對的?波函數(波包)又代表什麼?卻沒有一個很好的解釋。

波函數不是實體,而是物體的機率分布——哥本哈根詮釋

為了解釋這個問題,首先是由海森堡一夥人提出的「哥本哈根詮釋」,他們認為:波函數代表的是物體出現位置的機率分布,而薛丁格方程式規範的是機率分布如何隨時間改變。

當我們介入觀察,波函數便會依照這個機率分布隨機地塌縮至一個特定的值,這個值就是我們所觀察到的物理量。

以雙狹縫來說,穿過狹縫後的波函數產生了波動會有的干涉現象。後方的屏幕讓波函數塌縮,因此出現了一個確切的光點。至於光點會出現在哪裡,完全是機率性的,機率多寡由波函數主掌。在波峰和波谷抵銷的地方,機率很小,幾乎不會有光點出現;反之亦然。下圖可以看到個別粒子的位置看似隨機,但隨著實驗的粒子數增加,波函數的機率分布開始浮現。

當越來越多電子經過雙狹縫後(a 到 e),所形成的圖形(位置分布),就是由波函數的機率分布決定的,圖/Wikipedia

編按:哥本哈根詮釋認為,波函數涵蓋了物體落到任何地方的所有可能性,且每個可能性都有一個機率值。而薛丁格方程式算的是每一種可能性的機率變化。

在多個相同物體重複經歷相同的事件(例如電子不斷進進入雙狹縫),就會看見波函數控制物體運動過程的證據(屏幕上最後的圖形)。

至於「單個物體」為什麼會移動到某個確定的位置,以及「單個物體」實際上是怎麼移動的,基本上是不可知的,一切都是波函數的決定,因此哥本哈根詮釋就以「崩塌」,來代稱其他可能性消失的情況。

對哥本哈根詮釋的質疑

約一百年後的今天,這個詮釋已經成為主流,但當時的學界中有一部份人並不買單。

一來是因為這個說法直接擁抱了機率性,物理世界完全交由波函數塌縮的隨機過程來決定,我們能知道的只有波函數的樣貌;二來則是「塌縮」這種語焉不詳但又扮演中心角色的詞彙,讓人有一種硬湊答案的感覺。另外,人或是儀器作為觀察者的角色為何如此重要,好像也說不清楚。

為了點出荒謬之處,薛丁格搬出了他舉世聞名的貓咪。

由於原子的放射衰變也是由波函數描述,我們可以用放射性原子打造一種可以殺死貓咪的裝置,然後把貓咪跟裝置關在箱子裡。隨著時間過去,原子的狀態處於衰變和未衰變的機率分布,因此貓咪也同樣處於「死和活的機率分布」。直到觀測者將箱子打開,才能將原子和貓咪的波函數塌縮。

這個實驗和樂透開獎的情況本質上並不一樣。雖然樂透好像也是機率問題,但是每個樂透號碼球都是巨觀的、可以被古典力學描述的物體。因此,早在開獎前,每個號碼球的位置就都已經決定好了,只是沒有人能夠準確預測。

可是,原子衰變是量子的範疇。量子理論最初的發展,便是起源於光電效應和原子光譜這類小尺度世界,這些領域中的實驗觀察無法由古典力學概括,只能用波函數的機率來解釋。

而薛丁格的目標就是將微小的量子物體(原子)和巨觀的生物(貓咪)牽連在一起,試圖說明由機率分布和塌縮主宰的物理世界有多麼讓人不舒服。

隨著哥本哈根勢力的擴張,薛丁格的這隻貓也逐漸轉型成展示量子世界奇妙之處的招牌。圖/Wikipedia

在薛丁格方程式和哥本哈根學派交鋒過後的幾十年內,關於觀察和塌縮究竟是怎麼一回事,仍有許多討論。後續的許多研究,在哥本哈根的架構下,提出了修補的細節,許多人也就漸漸接受了機率性的塌縮這件事。

爾後,有另一批人馬企圖想出一種不需要機率塌縮的量子世界,其中包括不喜歡上帝丟骰子的愛因斯坦等人。他們認為粒子一直都有明確的位置與軌跡,只是其演化方式不如我們所想像,背後有不為人知的物理機制,而哥本哈根的世界觀只是統計的結果,並不是完整的圖像。

這類詮釋統稱為隱變數詮釋(hidden variable theory),歷史上有許多不同版本。不過在貝爾定理(Bell’s theorem)的相關實驗後,局域性的隱變數理論幾乎完全被排除。現今還站得住腳的隱變數理論,聲稱波函數像是電磁場一樣佈滿整個空間,能夠以特定方式引導粒子的運動軌跡。

全部的可能性都持續存在——多世界詮釋

這些新理論儘管在某種程度上去掉了塌縮的成分,但聽起來依然十分玄妙。在 1950 年代,有位美國物理學家艾弗雷特(Hugh Everett III)在他的博士論文中提出了全新的方案:

「大家都不要吵了,波函數中所有可能發生的機率,確實就是發生了,只是所有可能性以互不交錯的世界線同時存在。」

以貓咪為例子,當你打開箱子時,並沒有把貓咪的波函數塌縮到單一的死或活狀態,而是將原本的世界線一分為二,當中分別有一個看到死貓的你和看到活貓的你。於是,波函數永遠不需要塌縮到我們看到的單一狀態。

換句話說,這種觀點中沒有所謂「非量子」的「觀察者」來讓波函數成為現實。世界上所有的原子、貓咪、人,都被涵蓋在整個宇宙的波函數中。艾弗雷特原本的論文標題並沒有提到多重世界,而是稱之為全體波函數理論(Theory of the Universal Wavefunction)。波函數描述的不是觀察的機率分布——波函數就是本體,根據薛丁格方程式演化出各個世界線。

或許是因為太過前衛,他的這篇論文發表時,幾乎沒有引起任何討論,甚至沒什麼人花時間質疑。艾弗雷特最終抱著遺憾離開學術界,跑去五角大廈工作。所幸他的想法在十幾年後,終於在幾位支持者的努力之下,以「多世界詮釋(the many-worlds interpretation)」的名號發揚光大。

儘管一開始聽起來很難接受,但是人們發現,這種詮釋其實並不比原本的塌縮詮釋荒唐。

它同樣能夠解釋所有的實驗現象,而且比起機率性的塌縮,總體波函數可以完全遵循方程式的預測,不需要引入量子世界外的觀察者,來讓波函數塌縮至單一狀態。許多物理學家認為這是一套更簡潔的思考方法。到今天,多世界詮釋已經累積了不少聲量和支持者。

尋找多重宇宙

那麼多重世界線真的存在嗎?要找到答案恐怕不容易。如果艾弗雷特所言不假,也就是所有人和所有儀器都是總體波函數的一部份,那麼便沒有人能立於一切之外,看見總體波函數中的所有可能,或是做實驗來驗證多重世界的存在。

不過,除了量子理論的研究者之外,還有一群人也十分認真看待多重宇宙的想法。在宇宙學中,有一理論預測我們的可觀測宇宙只是顆小泡泡,身處許多其它的泡泡宇宙之中,也就是實際意義上的多重宇宙。這些宇宙不斷地處於膨脹階段,而這個理論被稱為永恆暴脹(eternal inflation)

無窮宇宙,在宇宙中存有大量的可觀測區(有著紅色十字中心的紅圈),我們的「宇宙」不過是其中的一個可觀測區而已
多重宇宙理論認為我們的可觀測宇宙只是顆小泡泡,身處許多其它的泡泡宇宙之中。圖/Wikipedia

相較於多世界作為量子力學的詮釋,永恆暴脹是個科學理論,需要可以被驗證。照理來說,任何來自其它宇宙泡泡的訊號都跑不贏膨脹的速度,永遠無法抵達我們的可觀測宇宙。不過在膨脹初期,泡泡之間的碰撞會在宇宙背景輻射的地景上留下溫度足跡。大約十年前,科學家就在威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)的觀測資料中,找到了四個統計上顯著的碰撞痕跡。

那我們怎麼還不出發前往其它宇宙呢?雖然在分析方法上是個振奮人心的嘗試,但還需要補足更多觀測資料才能做更好的判斷。繼 WMAP 後,普朗克衛星(Planck)也帶回了解析度高三倍的背景輻射影像,但關於多重宇宙是否真的存在,依然沒有定論。

結語

回顧歷史,隨著量子實驗的結果浮上檯面,不同的理論模型往往需要數十年來分出高下。雙狹縫實驗在 1801 年就已經完成,但多世界詮釋的誕生是 150 年後的事。正如同二十世紀初的量子物理,膨脹理論和多重宇宙都是目前發展空間很大的領域。或許還要一段時間,我們才能見證這些科幻內容成為課本中的教材。

不論結果如何,總體波函數中無限分岔的可能性,以及膨脹中的多重泡泡宇宙,都展示了科學研究的迷人之處,那就是——科學和科幻文本都一同站在人類想像力的最前端。

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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧
研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》
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研之有物│中央研究院_96
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多重宇宙存在嗎?物理學的探索極限——《解密黑洞與人類未來》
天下文化_96
・2022/01/02 ・1880字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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

在今天已經建立的宇宙模型中,我們對無限的窺視終止於大霹靂。大霹靂開啟了我們的時間和歷史;所有將會發生的事物都包含在裡面。大霹靂是一種超額的密集能量。我們現在看見的所有事物(所有形式的物質或能量,甚至我們自己),最終都可以追溯回到這份原始能量。

現今宇宙中的各種天體、物質與能量,都可以追溯到大霹靂這份原始能量。圖/WIKIPEDIA

一個近乎無限小的空間忽然在 10−35 秒內指數膨脹。純能量和光的原始閃電誕生,基本粒子的量子糖漿從閃電中開始結晶成形。質子和電子形成,物質有了基本構成單元。過了三十八萬年,質子和電子配對形成氫,充滿了宇宙。物質和光忽然彼此區分,走向各自不同的道路。暗物質在自身的重力影響下變得集中:暗星系從大霹靂的殘骸中出現,並把氫聚集到自己周邊。星系就此形成,產生了發光的星星,創造出新的元素,並透過巨大的爆炸再度把這些元素擲回太空。

從這最早的恆星之灰中,誕生了新的恆星、行星、衛星與彗星。星辰的生命循環開始,最終也誕生出我們的地球。水落在地球上匯聚起來,加上星塵,形成了菌類、單細胞動物,還有植物。這些新生命改變了世界,大氣開始形成,雲朵綻開,動物演化。最後出現了人類,在日、月、眾星的俯視之下繁衍,征服地球,建造都市,瞭解世界、時間、太空,並寫了關於這一切的書——這都要感謝大霹靂帶來的宇宙級大騷動。

描述大霹靂後宇宙膨脹的藝術構想圖。圖/WIKIPEDIA

我們的宇宙竟然能夠運作,整件事實在太過驚人、太過不可思議。宇宙的產生就像是走在物理學的鋼索上,需要微妙的平衡。如果重力再強一點,恆星都會塌縮成黑洞;如果再弱一些,暗能量會使所有東西分崩離析。如果電磁力更強,恆星就不會發光。宇宙機制的各個齒輪彼此相互影響,而生命竟可能在此出現,是恆久以來最偉大的奇蹟。如果有人可以目睹大霹靂並預測自己將會從那堆混亂之中誕生,一定會被視為瘋子。物理學教科書不允許物質忽然開始思索自我,形成個性與觀點,甚至發揮創意——儘管如此,我們就在這裡。

這道謎題有個解釋相當受人歡迎,就是宇宙實際上不只一個,而是許多個,它們就像原野上的花朵那樣誕生又凋零,只是每個宇宙都略為不同。我們只是正好出現在這裡,生活在這一個誕生了生命的宇宙,因為這是我們唯一可見的宇宙。

我們能否更把思考尺度變得更大?我們有沒有可能在自己的宇宙裡找到古老宇宙的遺跡,例如兩個宇宙相互碰撞後留下的大型結構?我自己願意如此猜測:超超大質量(hypermassive)的黑洞有可能是古宇宙留下來的化石——畢竟,像我們這種宇宙最後殘留下來的,應該就是超超大質量黑洞。目前為止還沒有人找到任何證據。不過,也還沒有任何跡象顯示平行宇宙真的存在,可以讓我們觀測。

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如果能找到超超大質量黑洞,或許能證明古老宇宙或是多重宇宙的存在。圖/Pixabay

另外,只因為我們的宇宙非常不可能存在,就要推論「必定有許多宇宙存在,才讓我們宇宙的存在成為可能」,這樣的關聯不見得正確。如果我的鄰居中了樂透,不表示他一定已經買過百萬次彩券。我們頂多可以說自己正好住在那個真實幸運兒的隔壁。如果我們只買過一張彩券,又不太清楚它的運作方式,那我們並無法論斷買了彩券的人有多少——或者有多少宇宙存在。

由於無從得知多重宇宙的證據,倒是引出這樣的問題:多重宇宙的存在與否,究竟屬於物理學還是形上學的問題?我們既無法回溯得比自己宇宙誕生的奇異點更早,也無法看穿宇宙的邊緣。就算主張多重宇宙不只是妄想,而是真實的物理學,這個問題仍然未解:多重宇宙是哪裡來的?我們所做的,只不過是把自己的無知推到物理學的無人之境。

——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_96
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