第五章 那關於一切的理論 V ─ 陪你讀霍金《大設計》The Grand Design

陳以聖 / 原載:κrazian

「費曼圖」不僅用以計算已知的量子力場現象,還神準的預測了一些尚未觀察到的原子行為。於是,此圖一時蔚為風潮,各路英雄好漢均想用這套方法,解釋其他三個宇宙原力。但是,這四個力到底是否各自獨立,都還很難說?很可能它們只是一個力的四個面向,是我們自己搞不清楚罷了。

1967年,Abdus Salam和Steven Weinberg兩人便成功統合「電磁力」與「弱作用力」,後人更據此發現三種新粒子。是以,科學家普遍相信,只要夠努力,有朝一日,這些原力必可統合成單一力。

至於「強作用力」,目前尚無法統合。這原力極富傳奇「色彩」。我們已知,質子、中子等基本粒子,乃更小的粒子夸克所組成。夸克有三類,每一類又各自有其「反夸克」類與之對應,因此可說共有六類夸克。有趣的是它們之間結合的方式。它們單獨存在的樣子,我們並觀察不到;其相互結合,則有固定方式:夸克可與其反夸克結合,但很不穩定;三個夸克結合才穩定,中子和質子就是這樣的結合,但結合的種類卻不能隨意。

若三類夸克標示為R、G、B,而其反夸克類標為Ra、Ga、Ba,則三個夸克的配搭,必定為(R, G, B)各一個或是(Ra, Ga, Ba)各一個,不能混搭,頂多再加上結合方位不同的幾種變化而已。這很像「光的三原色」紅、綠、藍混合而成無色的「白」光。夸克的結合等同:「只有『無色』的組合,才能存在」。從這個隱喻,再得出「量子色動力學 QCD: Quantum Chromodynamics」這麼擲地有聲的名字。但是,比喻終歸是比喻,夸克終究是不帶顏色的粒子。

結合夸克的「強作用力」,非常玄妙。想像夸克是重刑犯的話,「強作用力」就是高聳的電網圍牆、荷槍實彈的獄卒。在監獄裡只要乖乖,就三餐無虞。不但定時放風散步、運動,還有電視、卡拉OK娛樂,甚至偶爾可以找個碴、打個小架消遣消遣、舒活筋骨。三節有聯歡晚會,平常又不怕仇家找上門,堪稱自由度和幸福指數雙高。同樣的,夸克彼此只要靠得很近,強作用力就不起作用。一旦你動了越獄的念頭,天上武裝直升機、地下特勤部隊,鋪天蓋地,甚至配上華格納的「漂泊的荷蘭人序曲/女武神飛行」,就算你鑽到汙水道,也要把你拖回去。夸克也是如此,稍稍脫離結合區域,強作用力立刻不假辭色,強力拉回。這種「監獄中的自由」,叫做Asymptotic Freedom。

不但強作用力不知如何和「電磁力-弱作用力」統合,重力更是傷腦筋。我們甚至連重力的量子理論,都搞不出來了,如何奢談統合?欲研究重力,首先就逃不掉「測不準原理」的緊箍咒。之前談的測不準原理,應用在粒子的運動,就是:「如果你抓得住它的位置,就測不出它的速度,反之亦然。」這回套上重力,更難纏了,因為推論到最後發現,宇宙不可能有真正的「空」。也就是說,由於「完全的空」將導致粒子和力場產生「空前劇烈的變動」,所以就「不空」。這種變動可不是普通的變動,而是「無中生有、有還返無」般超現實的變動。物理學家稱之為「量子擾動quantum jitters」現象,而一般人大概會叫它「靈異現象」、「鬧鬼了」。

如果一個房間明明是空的,你一瞥眼卻冒出一男一女,再轉身又消失得無影無蹤,一不留神又鑽出一對自稱是「正粒子」和「反粒子」的東東,那不是鬧鬼是啥?這下科學家真的「撞牆」了。

然而,我們凡俗之人其實可以換個方式來理解,因為我們的心靈正是這個樣。忙碌一天後,為了讓腦袋好好休息,你甚麼都不想,蒙頭睡大覺。而最深層的熟睡,就在快速眼動期REM: Rapid Eye Movement,這段期間, 旁人可以觀察到你眼皮的劇烈「擾動」。當你以為腦袋完全放空時,卻正是夢境最活躍的時期。夢裡的「無中生有、有還返無」的超現實變動,那就不必多提了。

修道人景況也類似。七情六慾、俗念纏身,欲完全擺脫、遁入空門,可得乎?測不準原理明白昭告:沒法度。當你愈接近完全放空,心魔就會愈熾盛狂亂。看來,「走火入魔」所指的,大概就是測不準原理所說的。而人們喜歡掛在嘴邊的「讓自己放空」,只能說說罷了,不能當真。

既然不存在真正的空,那麼「空」「色」之辨到頭來就只是誤會一場。「空即是色、色即是空」的領悟也愈發顯得實實在在、理所當然。

但是,「無所謂真正的空」卻引發另一個難題:宇宙中的能量加總將因此而變得無限大。若再按照一般相對論的推導,則這宇宙將扭曲、萎縮成無限小?如此矛盾,讓科學家又原地踏步了許久,直到「超對稱Super Symmetry」理論出現。

「超對稱」說的是,物質和能量的關係如「影之隨形」。不但是一體之兩面,甚至每一個物質粒子,如夸克,都有一個與之配對的能量粒子;而每一個能量粒子,如光子,也都有一個配對的物質粒子存在。物質粒子在重力場中通常具有「負」能,因為將兩個受萬有引力吸引的物質粒子分開,須要能量,所以我們說他們原先具有「負能量」。如此一來,能量粒子和其配對物質粒子的能量即可互相抵銷,能量無限大的問題就不至於冒出來了。但這就更玄了,當太陽光照到我,那堆同時砸過來的物質粒子在哪兒呢?據說瑞士日內瓦建造的超級對撞機,很有希望能創造出那傳說中的「影子」粒子。

「超對稱」的概念源自於「弦理論」。弦理論就更玄了。原先我們知道萬物都是原子構成的,原子又是電子、質子、中子等更細小的「粒子」組合成的,而質子、中子又可再拆解成夸克,等等等等。在這往更微小世界追尋的路上,我們總是想找到那最最基本的「粒子」。可是,弦理論說,最最基本的東西並不是「個」粒子,而是「根」弦,不停顫動的弦。這弦是有個長度,卻沒有高度和寬度。喔,所以我們都只是一堆劇烈抖動的弦,難怪我們總是靜不下來!

更神奇的是,順著這個弦理論推導下去,宇宙乃十維度的空間,而不是我們所習以為常的三度空間,或頂多再算上時間的四度空間。這就怪了,你說。那多出來的六度空間是甚麼?在哪裡?怎麼感覺不到呢?科學家說它們都捲曲萎縮一氣,也難怪我們不知其存在了。

霍金拿吸管做比喻。在吸管上,你可以沿著長度前後走動,也可以順著弧度繞圈圈,所以吸管的表面是個典型的二度空間。但是如果吸管很細很細,你怎麼看,它都只有長度、沒有厚度,你就會以為它是一度空間。

好比一個同事,通常你只看到他的一面。直到有一天,在一個意外場合中,也許是音樂會舞台上,也許是示威抗議的群眾裡,也說不定是在媒體爭相採訪的醜聞案中,你驚訝的看到他另一面,並納悶為什麼從來都不知道?不知道,只因未曾展現在面前,也怪自己眼光不夠犀利,感覺不夠敏銳。所以,我們就姑且相信科學家,那額外的六度空間的確存在吧。

弦理論解決了不少難題,一時蔚為顯學。蓬勃發展的結果,卻陸續冒出了五個版本。而空間捲曲萎縮的情況,更多達數百萬種。這下真是糟了個糕!到底哪個版本才對?總不成大家都對吧?欸,偏偏就是這樣。那情況好比瞎子摸象,說像堵牆也好,像根柱子也好,有如一條橡皮軟管也可,通統都對。因為每一種描述都是實情的一個面向。也就是說,其實宇宙乃十一度空間。大家都少算了一度,以至於各自從不同的角度得到不同的印象。其實大家說的,根本就是同一碼子事。這下人人有獎,皆大歡喜。配合這大一統盛事,科學家們還給取了個充滿現代感的名字:M理論。

名字是取好了,實質內容則尚待努力。不過,霍金認為它一臉冠軍相,已迫不及待的要壓寶,賭它應該就是「那關於一切」的終極理論了。

霍金的看法是之前提到的「視模型而定的真實」,而這態度和立場,原就不相信人類真有法子找到終極理論。身為宇宙中渺小得不得了的「人」,既然無所遁逃於天地間,就不用奢望可以了解那上層的上層,或外層的外層的「真實」是何物?換句話說,如果你不管是直接證據、間接證據、間間接證據,無論如何也觀察不到的東西,要說它存在也好,不存在也好,或甚至其存在的形式為何,不都變得無關緊要了嗎?

我們現在說「這個」宇宙是十一度空間,但是它也可能是十二度、十三度,或更多更多,只是我們無法觀測或計算出來。那麼,誰有興趣去窮究呢?更何況,既然無法驗證,也就脫離科學,進入冥想、空想、幻想的領域了。

回頭來看看M理論。目前最新的看法是:這宇宙是十一度空間。最基本的組成「材料」是顫動的弦,還有一些基本「粒子」,以及二維的「膜」、三維的「泡泡」‧‧‧,一直到九次元的「東東」。這些東東通稱為「P-膜 P-branes」,P是從零到九的數字。至於我們所觀察得到的四次元空間以外的七個維度,到底捲曲成什麼德性?計算結果共有10500種可能的捲曲樣式!這天文數字讓人覺得,似乎愛怎麼捲悉聽尊便。但是,怎麼捲是一件非常重要而嚴肅的事情,因為,每一種捲法其實都代表一種「宇宙的模樣」。也就是說,每一種捲法都決定了一組自然律:諸如電荷的大小、原力、物質之間互動的形態等等。而其中的一種捲法,則產生了我們所在的這個宇宙。其他的捲法,我們不在其中,無法懂得透徹,更何況捲法又多得嚇人,光要計算,就提不起勁兒了。所以,霍金說,他覺得M理論「大概」就是「那關於一切的終極理論」了,是很有些道理的。

自從牛頓露一手絕活兒,讓人們開了眼界:原來自然律是可以理解的。直到今日,儘管M理論多麼的繁複瑰麗,「我們為什麼存在?」依然是個大謎題。只不過,現在的問法可以調整為:「為什麼我們會出現在這個宇宙?」另外,再多奉送一個問題:「其他那些多到嚇人的宇宙在何處?」

請看「陪你讀霍金《大設計》The Grand Design」第六章,挑個宇宙吧。

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