Beyond Star Trek - 12. 天下無不散的....

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12. 天下無不散的....

作者: L. M. Krauss　譯者：KoShiyen

　　我永遠強壯, 因為我吃菠菜。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 大力水手卜派

　　我很喜歡約翰．屈伏塔 [John Travolta] 最近的一部電影 "第三類奇蹟"[Phenomenon], 一直到大約前三分之二的部分。在電影中, 屈伏塔演一個可愛的, 土裡土氣天真無邪的人, 在看到空中的一道閃電之後, 突然被提升到另一個新的生命層次。他發現從此之後他的心靈能力日益增加; 他可以只花幾個小時就學會一種異國語言, 只花幾分鐘就讀完一本書....等等。 對於這些新發現的能力, 他及他周圍人的反應十分有趣, 至於為什麼會發生這種神秘的事更是耐人尋味。 最後, 他到他鎮上醫生的辦公室去檢查。 不消說, 在屈伏塔表演之前醫生根本不相信。 於是屈伏塔指著醫生桌上的筆, 並且集中意識....最後那隻筆滾過整張桌子, 掉進他手裡!

　　似乎當我們想到超智能生物的時候, 第一個賦予他的特性就是超越物質的心靈,也就是控制無生命物體的能力。 這項合理的推論仍舊出自於我們本身的經驗: 我們的心智很明顯可以控制我們自身的物質。 在這裡我指的不僅是我們的大腦操縱我們身體的運動, 還包括我們顯然可以控制微妙的自身生理機能 - 我們的心跳, 我們的血壓,我們的疼痛極限, 甚至疾病痊癒的速率。 那麼對一個超智能的心靈來說, 即使受到身體的禁錮, 難道不能控制身體之外的物質嗎?

　　當然, 不是只有超智能生物才能表演心靈傳動 [telekinesis]。我最喜歡的例子之一發生在舊 Star Trek 裡的一集 "柏拉圖的繼子" [Plato's Stepchildren]。 柏拉圖星 [Platonius] 上的居民是一個稟承著柏拉圖教條而討人厭的社會。 因為當地的植物含有一種稀有而強效的化學物質 "奇若耐" [kironide], 攝取之後會使他們發展出心靈傳動能力 - 只有亞歷山大 [Alexander] 因為缺乏腦垂體 [pituitary] 荷爾蒙, 無法吸收奇若耐而例外。 因為沒有心靈傳動能力, 亞歷山大被其他柏拉圖星人玩弄於股掌之上, 並且被迫當宮廷的弄臣。科克跟其他船員收到求救訊號而被引誘到這個行星之後, 跟亞歷山大一樣被迫表演取悅這些柏拉圖星人。 不論情節有什麼化學上的弱點, 至少有一點很重要: 不管有沒有奇若耐, 心靈傳動的過程是需要某種物質來提供動力的。

　　算出真正需要多少動力可能會嚇你一跳。 假設我想要做一些簡單的事情, 例如從桌上提起一支筆, 或是將它拖過桌面掉入我手中。 假設這支筆重 4 盎司 [ounce],也就是大約 0。1 公斤的話, 那麼將它從桌上提高或拉近你數英呎所需的能量大約是一焦耳 [joule]。假設要在一秒之內耗費這麼多能量, 相當於在這支筆上耗費 1 瓦[watt] 的能量。 好, 這看起來並不多, 但如果筆指向你的話, 它的截面積大約是一平方公分。 如果它離你一公尺遠, 那麼在半徑一公尺的球面上它所佔的球表面積只不過是十萬分之一。這表示如果你要向所有方向放出均勻的訊號, 讓筆收到 1 瓦的能量, 你的功率將是 100 千瓦 - 比大型廣播電台的功率還要高!

　　當然, 如果你能像雷射一樣集中你的訊號, 所需的功率就可以降低, 但是從你頭顱 (如果那是訊號來源的話) 的外型看來, 能降低訊號的倍率不太可能超過 100 到1000。 因此你仍舊必須產生並發射至少 100 瓦的能量。 若以我們物理學家常用的詞來形容, 這是 "有意義的" [nontrivial]。 舉例來說, 100 瓦的能量相當於你在做一般日常運動時全身所產生的能量。

　　然而, 科幻再次指出可能的方向。 當歐比王．肯諾比勸誡路克要 "使用原力"[use the Force] 時, 很明顯他認為周圍空間中存在著某種能量, 而你需要去學習如何利用它。 而且歐比王．肯諾比不是唯一這麼想的人。 許多科幻主題都以利用虛無空間中的能量為基礎。 好, 這或許聽起來有點荒唐。既然是虛無的空間, 裡面怎麼會有可以被利用的能量呢? 但事實上, 虛無空間中到底是否有能量, 正是現代物理的重要議題之一。

　　 20 世紀物理學的重大發現之一就是真空 (這裡我指的是真正的真空, 不但沒有物質, 也沒有任何無線電波之類的輻射) 並不是空的。量子力學的中心法則 (我在上一本書提過, 它會使金．羅登貝利的輸送器 [transportor] 不可能實現) 是海森堡[Heisenberg] 的不確定原理 [uncertainty principle]。當它與狹義相對論聯立時,理論顯示真空中充滿了所謂的 "虛擬真實" [virtual reality]。 不確定原理告訴我們, 因為各種物理量測組合間的關係, 例如位置與動量, 或能量與時間 (只在量子級才有關聯, 巨觀古典世界中沒有), 我們量測一組數值的準確度永遠無法超越某個限制。 因此, 我們不可能同時測量到一個質點的確實位置及動量。 同樣地, 如果我們測量某個系統的時間精度超過限制, 量到的能量就一定不準: 若想測得精準的能量, 量測所需的時間是無限長。

　　愛因斯坦的狹義相對論告訴我們, 可量測系統之速率必低於光速。 既然當系統趨近光速時其時鐘必定會變慢, 我們可用數學證明當系統超越光速時, 時鐘會倒著走。但即使如此, 還是沒有理由相信超光速物體的存在, 他們被稱為 "迅子" [tachyon],Star Trek 常用到這個詞 (許多種生物都會發出迅子, 而且迅子跟羅慕倫 [Romulan]的隱形船艦有關)。

　　如果我們把海森堡的不確定原理跟相對論結合, 結果顯示真空並不一定是空的。原因 (再次借用理查．費曼) 很簡單, 但是有點古怪。 首先, 不確定原理告訴我們,在很短的距離及時間內, 因為我們無法準確量測質點的動量, 就無法否定它可能短暫地超越光速。 但如果它超越光速了, 它必定會表現出時光倒流的現象。但如果它表現出時光倒流, 它就必定會經過之前在正常時間中流動的自己。 如果它之後慢下來, 再次隨正向時間流動, 它又會再經過它中間 "時光倒流" 的自己。 這表示如果一開始有一顆粒子, 在短暫的時間之內會變成三顆 (幾乎) 完全相同的粒子並存: (1) 原來的那一顆, (2) 原來的那顆時光倒流, 以及 (3) 原來的那顆在時光倒流之後, 慢下來繼續前進。

　　我把 "幾乎" 加了括弧, 是因為如果原來的粒子帶電的話, 它在時光倒流時, 相當於在正常時間下帶相反的電荷。 因此, 如果一開始用一顆質子, 之後我們會得到兩顆質子 (在正常時間中行進) 跟一顆反質子。 這正是 70 多年前有人預期反粒子存在的理由。 再過一會兒, 最後又只剩下一顆質子。對在正常時間中行進的觀察者 (假設你能直接觀測粒子, 但事實上不行, 因為這樣粒子就不能超越光速並時光倒流了),你會看到一顆質子, 以及不知從哪裡突然冒出來又突然消失的一對質子-反質子。

　　好, 這種劇情似乎太過荒誕而不像真的, 但它確實是真的。 你可能會問 "我們怎麼知道呢?" - 因為這種過程應該是看不見的。 呃, 雖然我們不能直接觀測到這三顆粒子, 但卻可以間接偵測到它們的存在。 舉例來說, 三顆粒子的電場跟一顆粒子的電場, 雖然總電量一樣 (質子-反質子對的總電量是零), 但必定有些微的不同。 因此如果之前的質子正好是氫原子核, 環繞質子的電子會受到輕微的影響, 而其改變的能階可以被計算出來。 戰後基本粒子物理的重大成就之一, 就是可以計算並量測到這種微小的偏移。當然, 這些粒子-反粒子對 (稱為虛擬粒子 [virtual particles], 因為無法直接看到) 的預期效應與實際相符, 跟實驗量測值相比, 可以準確到小數點 9位之後。

　　在你說出 "朗培斯提金" [Rumpelstiltskin] (譯註: 格林童話, 皇后必須猜出侏儒怪人的名字, 否則要交出自己的孩子) 之前, 空間中沸騰的虛擬粒子就已經出現又消失了, 這顯示在量子世界中, 所謂的真空可能其實含有能量。 事實上, 它確實應該如此。 比方說, 我們都知道, 當宇宙演化冷卻的同時, 真空的能量會隨溫度改變而改變, 而各種各樣所謂的相變 [phase transitions] 使得宇宙變成今天的模樣。 因此懷疑即使在今天真空中仍帶有巨大的能量是很自然的。

　　這是一個謎。 如果真空帶有巨大的能量, 這些能量應該會產生重力效應, 改變宇宙膨脹的方式, 但對此膨脹的觀察結果, 嚴格地限制了真空能攜帶的能量上限 - 事實上, 是難以想像的嚴格上限: 從基本粒子物理計算, 比大部分理論物理學家預測的還要再小上一百萬兆兆兆兆兆兆兆兆兆兆倍 [a billion billion billion billionbillion billion billion billion billion billion billion billion billionbillion]。

　　這個謎 (為何真空中的能量不比觀測容許的多) 就是有名的宇宙常數問題[Cosmological Constant Problem], 而且可能是物理學上最重大的難題 [conundrum]。試圖解決它無疑將帶領我們了解更深層的宇宙基本定律。

　　真空能量 (宇宙常數) 的名字來自於亞伯特．愛因斯坦曾懷疑又放棄的理論。 在1916 年, 他在推導廣義相對論時, 他發現若要發展重力理論, 必須在全宇宙都通用。當時人們認為宇宙是靜態的, 然而以所有正常物質的量看來, 廣義相對論的方程式卻不容許靜態宇宙存在。 原因很簡單。正常物質會因重力吸引其他物質。 如果物質以靜止恆星與銀河的形式隨機地灑在宇宙之間, 這些系統間的重力將緩慢但不可避免地讓整個系統向內崩潰。愛因斯坦很快想到規避這個問題的辦法, 就是在他的方程式上多加一項宇宙常數, 代表宇宙內大型物質間的斥力。因為這項斥力跟標準的萬有引力互相平衡, 所以愛因斯坦的方程式就可以得到一個靜態解 - 愛因斯坦希望這個解可以描述我們生存的宇宙。

　　然而, 大約十年多之後, 愛德溫．哈伯及其他人證明了宇宙正在膨脹。 在膨脹的宇宙中, 沒有必要使用宇宙常數, 因為萬有引力自然會減緩膨脹的速率。 當愛因斯坦發現膨脹之後, 他就立刻省略了宇宙常數, 並且稱它是他這輩子最大的理論錯誤。 唯一的問題是, 我們現在知道該省略的並不是他。 我之前描述的虛擬粒子, 其真空能量正好就是愛因斯坦隨手加在方程式中的那一項。 所以現在問題變成要了解, 為什麼愛因斯坦方程式中的這一項 (我們現在了解它必須存在) 會比粒子物理學推導的要小上125 個數量級。

　　好, 你可能會跟一些物理學家一樣, 認為既然允許的能量上限這麼小, 為什麼不乾脆假設真正的值其實為零, 而是別的未知的物理定律讓它變成這樣的? 這或許可以解決問題。 然而, 目前沒有任何人提出令人信服的說法, 解釋為什麼真空中的能量必須是零。 此外 (至少對我來說更重要的是), 目前有越來越多的證據顯示, 真空中的能量密度或許不是零。 我跟我在芝加哥大學 [University of Chicago] 的同事麥克．透納 (Michael Turner) 已經為擁護這項曾經被視為異端的理念而爭論了十年以上。誰知道呢? 它或許會成真。 果真如此, 許多現代宇宙學上的基礎謎題都會迎刃而解。

　　但就算我們能解決這些宇宙弔詭, 我們還是會遇到粒子物理的新問題。 沒有人真正了解為什麼宇宙常數必須是零, 但至少我們可以想像會有某些新的可能理論支持它必須為零。 如果宇宙常數其實只是很小但不為零, 那我們都會有很多準備工作要做。

　　如我之前提過的, 在準備這本書的時候我問過許多從事粒子物理研究與相對論的卓越理論物理學家: 如果你可以得到任一宇宙問題的答案, 那問題會是什麼? 我得到的回應在種類及深度上都十分值得注意。 我問過的人中有一位艾德華．威頓 [EdwardWitten], 是普林斯頓高等研究院 [Institute for Advanced Study, in Princeton]一位傑出的數學物理學家。威頓在研究超弦理論 [string theory], 這原本是為了對付協調量子力學與重力時所遇到的基礎弔詭而發展的物理, 但許多人希望它能導出大一場論 [unified theory], 統馭自然界中所有已知的力。 他的答案讓我很驚訝。我預期他可能會想知道超弦理論是否真能描述真實的世界; 但他想知道的反而是宇宙常數是否為零, 以及如果是的話為什麼是, 如果不是的話為什麼不是。回想一下這其實是可以理解的: 任何稱職的 "萬物定律" [Theory of Everything] 都必須解決這個基本議題。

　　儘管如此, 我們還是回到手邊約翰．屈伏塔跟天行者路克的問題。 真空如果真的帶有能量, 並且適當利用的話, 是否真能成為老歐比王所說的那種能源? 在寫這一段之前其實我根本沒想過宇宙常數問題, 但基於真空中可儲存的最大容許能量, 你可以簡單估計一下和觀察宇宙膨脹一致的宇宙常數。 如果你能將一立方公分的真空能量全部釋放出來, 大約相當於一百億分之一焦耳。

　　這讓我想要簡短地談一下瑜珈修行者馬哈理西．馬赫希 [Maharishi MaheshYogi] 推行的超覺冥想 [Transcendental Meditation] 運動。 這個團體開始時是一群善良的人, 宣稱冥想可以幫助你感覺更好, 工作效率更好 (可能是真的), 經過多年推行, 成效卓著。 現在他們則宣稱超覺冥想不僅可以讓你短暫地 "飛" 起來, 而且還可以減緩老化, 如果有足夠的人一起練習, 甚至可以降低犯罪率。我當然相信如果地球上大部分的人都能定期冥想, 犯罪率應該會降低, 因為部分犯罪人口要多花時間在冥想上, 所以沒空危害大眾。但是飛行就是另一回事了。 超覺冥想運動是我所知唯一將宣傳詞跟現代物理學完全結合的團體。 超覺冥想的解說充滿了各種超弦理論及量子力學的術語。有個我從他學生時代就認識的理論物理學家, 現在是愛荷華州 [Iowa]馬哈理西大學 [Maharishi University] 的物理系主任, 還是馬哈理西本人的主要顧問之一。 另外, 他已經擔任兩次自然法律黨 [Natural Law] 提名的美國總統候選人。

　　總之, 我在某些地方讀到過, 超覺冥想就是利用宇宙真空中的能量讓信徒暫時飛在空中。 以前面估計過的最大真空能量而言, 我計算出若想讓馬哈理西暫時離地一公尺高, 要得到這麼多能量所需的真空體積, 甚至大於一個邊長超過曼哈頓島的立方體。(或許他們應該改名叫 "不自然法律黨" [Unnatural Law Party]?)

　　想靠同樣方法抬起一開始提到的那隻筆, 也沒簡單到哪裡去, 它耗費的能量, 需要一百億立方公尺的真空, 相當於邊長三公里的立方體。

　　好吧, 原力或許真與我們同在 - 但是你不用太期待!