世界存在住另一個「你/妳」?淺談物理學中嘅真·多重宇宙 (The true physics of multiverse)

喺呢個日漸禮樂崩壞嘅城市,大家有冇幻想過如果呢個世界嘅歷史唔一樣,好似雨傘革命嘅最後結果完全唔同,又或者甚至冇「強國」存在,冇出現回歸會點呢?可惜現實世界冇如果[sad],除非呢個世界真係有多重宇宙啦!

多重宇宙(multiverse)*呢個名詞相信大家都聽唔少,亦係唔少科幻小說/電影作品嘅題材,尤其當個故仔情節出現前後矛盾,歷史被改變呢啲情況下,多重宇宙往往就成為作者「自圓其說」,用嚟解釋呢啲唔合理地方嘅方便藉口。喺小說、漫畫FF嘅世界入面,多重宇宙=無限可能性,我哋認知嘅嘢可能好唔同,好似叮噹短篇故仔咁你嘅性別、能力可以完全相反,極端嘅甚至唔受物理定律限制,可以「任意妄為」,簡單講即係作者講晒,話乜就乜 [sosad] 但你又知唔知物理學家口中所講真正物理上可能存在嘅多重宇宙係點樣嘅呢?

*坊間大部分人通常鍾意用平行宇宙(parallel universe)去形容多重宇宙呢種世界觀,個人就覺得呢個詞彙唔太啱。小弟之前都講過,因為「平行」字面上有「冇任何交匯點」嘅意思,如果兩個多重宇宙間喺時空任何地方包括過去、現在或未來有接觸或交匯點嘅話,嚴格上就已經唔再係「平行」,所以物理學界其實係唔多會用平行宇宙呢個詞彙。

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(圖擷取自:《叮噹》45卷單行本第17卷第8話《相反的星星》)

答案當然唔會完全好似科幻小說咁啦!喺理論物理學上,多重宇宙總捨嚟講係泛指我哋身處宇宙外嘅世界,背後有唔少理論假說模型,但全部都未經證實。雖然多重宇宙可以同我哋身處嘅宇宙好唔同,但佢哋仍然需要遵守同一套真理#。另外理論物理學上多重宇宙仲分好幾種,而且仲可以好似著名理論物理學家及宇宙學家泰格麥克(Max Tagmark) 所講咁按程度分等級㗎[1]!今次就等小弟同大家簡單介紹一下啦!([offtopic]其實小弟覺得宇宙呢個詞某程度上應該包含我哋身處嘅現實世界中嘅一切,叫我哋身處嘅「宇宙」外嘅「世界」做多重宇宙硬係覺得怪怪哋,唔知點咁…)

#多重世界中嘅物理定律、物理常數或者會同我哋宇宙嘅有出入,但佢哋喺最基本嘅範疇上最終都需要遵守物理學上最根本嘅一套理論模型

多重宇宙級別(一)視界外嘅宇宙 (level I: the universe beyond cosmological horizon)

根據現時宇宙學嘅標準模型ΛCDM,物理學家了解到宇宙嘅演化過程,知道宇宙一直喺度膨脹𡁵,而且膨脹速度仲隨時間演變。喺大爆炸發生後冇幾耐嘅10-36秒 ,宇宙仲曾經以超光速喺接近瞬間嘅時間內膨脹咗至少1026倍@,呢個就係暴脹論(cosmic inflation)。呢個宇宙早期模型係用嚟解釋喺大尺度,好似係宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background )上,點解宇宙睇落咁均勻一致,即使係處於視界(cosmic horizon)相反方向盡頭,大爆炸一刻後就完全分離冇相互影響嘅兩點。呢個大爆炸模型嘅問題宇宙學叫視界問題(horizon problem)。暴脹論仲係解釋後嚟因為重力坍縮而形成宇宙所有結構,包括星系團、星系,甚至係我哋嘅太陽系所需要嘅太初宇宙起伏(primordial fluctuations)點樣嚟。透過極短時間以超光速將宇宙膨脹好多好多倍,除了衍生出暴脹嘅物理場—暴脹場(inflaton field)外,視界內其他所有物質嘅能量密度都會被稀釋至接近零,同時根據絕大部分初始條件(initial conditions)情況下佢哋喺唔同地方會演化出巨大嘅差異起伏亦會被接近無限放大,被扯出我哋宇宙嘅視界外。另一方面暴脹場本身因為量子力學不確定原理(uncertainty principle )而存在嘅微觀世界細微量子起伏(quantum fluctuations )會被放大扯到變成宏觀世界嘅能量差異。隨著暴脹場喺暴脹結束後轉化成包括標準模型在內嘅物質,呢啲差異就會變成形成宇宙一切結構嘅起源。^

@咁冇違反相對論,因為相對論限制嘅係粒子同訊息傳遞唔可以快過光速,但空間膨脹速度唔受限制

^有關暴脹論嘅講解下次有機會再詳細講,大家亦可以睇小弟寫嘅part I先[2]

要解答視界問題,暴脹需要持續幾耐只有下限冇上限,除左(我哋可觀察視界內嘅)暴脹過程必需有終結外。換言之宇宙空間(假設唔係無限大)經過太初嘅暴脹同後嚟嘅演化好有機會膨脹到比我哋嘅視界仲大。另外假設暴脹論正確,暴脹場存在而且喺某種條件下佢會令宇宙暴脹,咁根據量子力學中嘅不確定原理,因為暴脹場喺唔同地方嘅值、大小必然有分別,所以唔同地點佢衍生出嘅暴脹過程喺時間長短、程度上都會有分別。更甚嘅係會好似隨機遊走咁,只要宇宙空間足夠大,時間足夠長,喺任何一刻都必然會有某地方嘅暴脹場滿足到發生暴脹所需嘅條件,令嗰度發生暴脹,我哋只係咁啱身處喺一個暴脹已經停止咗嘅地方。情況就好似講俾足夠無窮嘅時間馬騮點都會打得出莎士比亞名著嘅無限猴子定理(infinite monkey theorem),同埋波茲曼大腦(Boltzmann brain)[3]咁。由於暴脹可以輕易咁令宇宙空間以指數級別膨脹好多好多倍,所以上面講宇宙永恆咁喺某一撻地方發生𡁵暴脹呢種情況其實真係有可能。呢個宇宙模型叫永恆暴脹論(eternal inflation)。由此可以推斷宇宙有可能比我哋現時可觀察嘅視界大好多好多,視界=/=宇宙嘅邊界,外面其實應該仲有嘢存在。呢種現時可觀察視界外嘅世界就係理論物理學上最初階,屬第一級別嘅多重宇宙。之所以屬初階,第一級別係因為呢啲宇宙視界外嘅宇宙佢哋當中所有嘅物理常數、定律都同我哋嘅宇宙一樣,只係物質嘅分佈、粒子嘅排列有分別。呢種第一級別嘅多重宇宙喺物理學界入面比較廣為接受,對比其他種類冇咁大爭議,雖然未有實質觀察證據支持永恆暴脹論,嚴格上暴脹論亦未被證實。

多重宇宙級別(二)泡沫宇宙 (level II: bubble universes)

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(Credits: 《Rick and Morty》, i.imgur.com/d4rMRW1.png)

另一種高一個級別嘅多重宇宙就係泡沫宇宙(bubble universes),係同弦論呢套物理學嘅萬有理論假說有關。萬有理論係所有物理學家所追求嘅終極理論,一套可以解釋一切物理現象嘅理論。叫得終極理論,呢啲理論模型最多只會有幾個,甚至通常得一個根本物理參數,其他物理常數都是由嗰個根本物理常數衍生出嚟。由於唔係最基本,係衍生出嚟,所以唔同條件情況下呢啲我哋平時認知嘅物理「常數」可以唔一樣,甚至完全唔同。就好似大家中學物理所學嘅參數地球嘅表面重力加速度g咁,雖然好似不變,但其實喺唔同海拔甚至唔同星球上就已經唔一樣。喺萬有理論,尤其弦論入面,就算只考慮穩定嘅真空形態套理論模型都有各式各樣成千上萬唔同嘅基態(ground state)。呢個弦論嘅重要概念叫弦論地景(string landscape),反映咗喺弦論模型入面除左基本弦(fundamental string)嘅長度外,所有嘅物理參數都係變量,應該將佢哋整體想像成一個有好多大大小小、唔同形狀嘅高山同谷地,高維度複雜嘅山脈地勢流形。位處谷地嘅流形,就係屬於穩定真空嘅基態,根據理論估算喺弦論入面數目多達1010到10500個,我哋嘅宇宙只係其中一個。呢啲唔同基態下衍生出物理常數嘅值、物理定律可以好唔同。

理論上隨住宇宙演化膨脹冷卻,宇宙入面相隔好遙遠冇相互影響嘅唔同地方會根據自發對稱破缺(spontaneously symmetry breaking)因為自身附近環境而各自隨機跌落其中一個基態。如果啲基態嘅特性唔同,咁隨之衍生出嘅物理常數、定律都可以好唔同。就好似一杯溫度均勻嘅熱水,如果你將佢細分成好多小杯然後再擺佢哋喺環境完全唔同,相距好遠嘅地方,隔一段時間後再睇番你都唔會預期佢哋溫度會相似,甚至係處於同一形態。由此推論如果弦論真係現實世界最基本嘅物理理論模型,咁呢個世界好大機會有某啲宇宙處於唔同嘅真空基態,遵守𡁵唔同嘅物理定律。呢個世界觀就係泡沫宇宙,係屬於第二級別,高一階嘅多重宇宙版本。

呢種多重宇宙喺學界比較有爭議,就算幾成功都好始終弦論只係假說理論,而且唔係個個都buy呢種有啲似「講晒」,唔可以輕易直接證偽嘅講法。小弟個人雖然支持弦論,但對呢種多重宇宙都有少少保留。

多重宇宙級別(三)—量子力學嘅多世界詮釋 (level III: the many-world interpretation of quantum mechanics)

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(Credits: 《Rick and Morty》)

下一級別嘅多重宇宙就係同量子力學有關,小弟之前喺《叮噹法寶物理原理大解構》系列提及過嘅多世界詮釋(many-worlds interpretation)[4]。簡單重溫一下,呢個詮釋係講量子力學入面現時認知嘅理論公式就係一切,冇需要好似「搬龍門」喺薜丁格方程式上面再額外強加一項唔知點嚟嘅波函數坍塌前設規則入去。每次「觀察」處於態疊加狀態嘅量子系統時,世界只係根據機會率分裂出好多唔同嘅世界,而觀察者只係被帶往其中一個分裂出嚟嘅世界而已,好似下面幅圖咁。

有興趣想了解多啲嘅可以睇下面PBS Space Time嘅短片(英文)

https://youtu.be/dzKWfw68M5U

呢種多重宇宙世界觀就係唔少科幻小說作品成日講嘅平行宇宙,亦係用嚟圓說點解過去歷史可以被改變嘅「藉口」。比起之前講嘅兩類,呢種多重宇宙更有爭議,尤其物理學界對點樣詮釋量子力學先啱仲未有共識,而且可能因為歷史同教科書嘅關係,學界更多人傾向相信哥本哈根詮釋。

多重宇宙級別(四)—數學宇宙(level IV: mathematical universe)

最後一種,屬最高級別嘅多重宇宙係數學宇宙(mathematical universe),由泰格麥克提出。呢套數學宇宙假說係源自一個長久困擾住科學家、甚至哲學家嘅問題:點解數學可以咁成功描述現實世界嘅一切現象。如果數學唔係人類發明,而係真實存在嘅真理,咁就有可能解釋到呢個問題。進一步推論,泰格麥克認為既然數學先係現實世界最根本嘅真理,咁任何數學結構、理論都必然有一個對應嘅宇宙存在。呢個假說除左夠終極外,佢仲可以解答到點解我哋身處嘅宇宙物理會遵循我哋見到嘅數學結構而唔係另一種,尤其我哋宇宙嗰種數學結構喺芸芸眾多嘅數學結構入面唔算好獨特。

呢套假說比起其他多重宇宙論更大膽,更「瘋狂」,理論上數目可以比之前講嗰幾類仲多好多好多倍。數學宇宙亦係最有爭議性,較少學者相信嘅版本,始終「數學係一項發明定係發現」呢個哲學層面嘅問題好難會有答案甚至係共識。

總結:多重宇宙呢個概念雖然起源自科幻小說、人類嘅幻想,但物理學上的確係有相關嘅理論假說模型,有真實存在嘅可能。不過多重宇宙論始終係非常前沿,仲喺好初步研究階段,而且只係假說,冇人知現實世界有冇多重宇宙。理論上要驗證多重宇宙論亦好困難,尤其受身處宇宙嘅物理限制我哋冇太多辦法去直接觀察呢啲宇宙,就算竭盡全人類文明嘅能力都未必得。雖然係咁,但科學其中一個重要精神就係求知,探索未知嘅世界,就算幾困難都好,喺未有結論前都唔應該放棄研究同限制各種可能性。古時啲人又點會想象到有量子力學存在,時間係相對同宇宙係膨脹𡁵呢啲概念呢?或者有一日人類真係會搵到多重宇宙存在嘅確實證據呢!

最後有興趣嘅可以睇埋Sixty Symbols教授專業嘅簡單講解 (英文)

今次講到呢到,下次再講。

延伸閱讀:

[1] Tegmark, Max (May 2003). “Parallel Universes”. Scientific American. Vol. 288. pp. 40–51.

arXiv:astro-ph/0302131

[2] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2016/12/10/全世界變窮人系列宇宙也會通脹-part-i-our-universe-also-inflates-part-i/

[3] https://zh.m.wikipedia.org/zh-hk/玻尔兹曼大脑

     https://blog.xuite.net/sames8888/twblog/243366404-玻爾茲曼大腦:我們的世界是真實的嗎%3F

[4] https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/09/30/叮噹法寶物理原理大解構-四-the-physics-behind-doraemon-gadgets-iv/

[5] 《多重宇宙真的存在嗎?》George Ellis著,《科學人雜誌》2011年8月號,http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=3434  (link為中文翻譯版)

https://youtu.be/xG3-_tgDE0k

 

 

1 thought on “世界存在住另一個「你/妳」?淺談物理學中嘅真·多重宇宙 (The true physics of multiverse)

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