宇宙時空

一隻「看不見的手」 推動宇宙加速膨脹

一隻「看不見的手」 推動宇宙加速膨脹
2006年8月21哈勃望遠鏡拍攝到兩個大的星系團碰撞的時,暗物質和正常物質被分開,證實暗物質存在。NASA
第27期
一夫
宇宙加速膨脹是21世紀初科學最大的謎,對科學產生了巨大的衝擊,使得物理學界面臨巨大挑戰和危機。

1998年,天文學家發現了宇宙在加速膨脹,而不是物理學認為的宇宙膨脹應該減速。這一新發現完全出乎現代物理學的預料,從而導致物理學認為有一種神祕的力量(能量)在推動宇宙在加速膨脹,並且把這種神祕的力量稱為「暗能量」。現在天文學觀察到宇宙中有約96%的成分是由暗能量(占73%)和暗物質(占23%)組成,而人能夠看到和觀察到的物質加起來只占宇宙的4%。所以現代科學對整個宇宙知之甚微。

一隻「看不見的手」

正推動宇宙加速膨脹

科學家觀察到的數據表明,暗能量在宇宙中起決定性作用,以越來越快的速度把宇宙撕裂,直接決定宇宙的命運。2007年2月的《科學美國人》雜誌登出文章說,暗能量是個「看不見的手」,不僅推動宇宙加速膨脹,而且決定星系的形成。

宇宙加速膨脹是21世紀初科學最大的謎,對科學產生了巨大的衝擊,使得物理學界面臨巨大挑戰和危機。一些物理學家認識到,暗物質和暗能量的發現,正在動搖現代物理學的基石,可能需要發展新的物理學理論。

眾所周知,物理學是20世紀科學的領頭羊。物理學有兩大支柱:量子論和相對論。人們日常用的手機、電視等等和量子論有關;核武器、核能源等和相對論有關。然而,困惑物理學界的是,量子論和相對論互不相容,基本觀點相互衝突:量子論是機率論,而相對論是決定論。愛因斯坦對量子力學的機率解釋一直難以接受,於是他說:「上帝不擲骰子。」為了解決量子論和相對論之間的衝突,愛因斯坦晚年嘗試建立一個能描述自然界所有「力」的「統一場論」,之後很多科學家一直在追求建立一個能描述整個宇宙的「大統一理論」,但是到目前為止並沒有成功。

在幾十年構建「大統一理論」的努力中,主要的成就是提出了「超弦理論」。超弦理論認為自然界的基本單元不是像電子、光子、中微子和夸克等等這樣的粒子,這些看起來像粒子的東西實際上都是非常小的弦的閉合圈──稱為閉合弦或閉弦,閉弦的不同振動和運動,就給出這些不同的基本粒子。

宇宙「大爆炸」不斷發生

炸出無數個宇宙時空

為了試圖解釋宇宙的加速膨脹,超弦理論不僅必須增加我們所熟知的空間是三維以外的額外維度,而且提出了無限多的「平行宇宙」。超弦理論認為形成宇宙的「大爆炸」不斷地發生,從而炸出了無數個宇宙時空。我們所在的宇宙只是這些「平行宇宙」的一個,這些「平行宇宙」遵守不同的物理學定律。許多物理學家認為關鍵問題不是「平行宇宙」是否存在,而是有多少級(level)。2003年5月的《科學美國人》雜誌發表一篇文章介紹「平行宇宙」,認為有四級「平行宇宙」,且有無窮多個宇宙(空間)。

不僅如此,超弦理論新的解釋支持「人擇原理」,即生命能夠在宇宙存在,只是因為各個基本常數的組合導致了一個適合生命的環境,反過來說,宇宙若不是這個樣子,就不會有我們這樣的智慧生命。2006年8月11日的《科學》雜誌的一篇文章說,「人擇原理」引起了巨大的爭議,在物理學內部導致了哲學上的嚴重分歧,有的物理學家認為威脅到了物理學的基礎。反對者認為,這像是研究「哲學」,不像是「實證科學」;支持者認為,現在很多的證據支持「人擇原理」。發明量子電腦的英國牛津大學理論物理學家大衛‧德伊池(David Deutsch)認為,實證主義是死胡同,是科學的毒藥。

總之,宇宙的加速膨脹挑戰目前科學對時空和生命的認識。據美國《新科學家》雜誌報導,2005年12月在比利時召開的一次極負盛譽的關於「大統一理論」的物理學會議上,加州大學理論物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者大衛‧格羅斯(David Gross)坦承:「我們不知道我們在說甚麼。」(We don't know what we are talking about.)他說物理學現在處於「一個完全混亂的時期」(a period of utter confusion),現在物理學可能缺少一個根本的東西。這個根本的東西是甚麼?作為二十世紀科學領頭羊的現代物理學對此一無所知。

近來媒體報導,美國哈佛大學理論物理學家麗莎‧藍道爾(Lisa Randall)由於提出「第五度空間」(a fifth dimension),被美國《時代》雜誌評為2007年100名最有影響力的人物之一。她的方法直觀,容易讓大眾理解,其實額外維度並不是新的概念,只是她提出的「第五度空間」不像超弦理論的額外維度那樣非常非常的小,而是非常大。《時代》雜誌說,她最重要的貢獻是提出了可以測試額外維度空間存在證據的方法。這是物理學熟悉的實證老路子,不像「人擇原理」那樣,儘管有很多證據支持,但因為難以用實證方法驗證,所以不少物理學家抵制「人擇原理」,是其中一個原因。對於「人擇原理」,有人還會聯想到科學界更加敏感的宇宙是不是由「智力設計」的問題(即宇宙是不是由高智慧生命設計創造的),這也是物理學界的一些人反對「人擇原理」的另一個原因。

探測額外維度或另外空間

需運用新的思維方式

現在額外維度或另外空間(宇宙)的問題是物理學研究的焦點之一,這個問題本身對人類認識宇宙、時空和生命影響深遠。然而目前的實證科學方法對此研究困難重重。其實現代科學缺乏的「根本的東西」在中國古代科學與修煉界裡可以找到,中國古代科學與修煉界,對另外空間與生命有獨特而深刻的認識。例如,中國古代的周易、太極、五行學說、中醫的經絡、臟象理論,甚至世間小道的風水,都是著眼於額外維度或另外空間,從另外空間與我們這個看得到摸得著的時空的相互作用入手進行研究的。

當今人類在深入探測額外維度或另外空間(宇宙),以及裡面存在的物質與生命形式的過程中,實證科學的方法已經顯得頗為笨拙和陳舊,運用新的思維方式去認識這個宇宙正成為人類科學的不可抗拒的趨勢。

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