宇宙級雲霄飛車

撰文∕勃吉斯（Cliff Burgess）、蓋衛多（Fernando Quevedo） 
翻譯∕李沃龍
 

　　處在半徑長達460億光年、充斥著遠多於億兆顆恆星的廣闊宇宙裡，你大概料想不到宇宙學家會罹患幽閉恐懼症吧！但在21世紀的今天，卻有一項研究主題認為，我們可見的一切總和出來的已知宇宙，也許只是整個空間範疇的一個微小區域。組成超大「多重宇宙」的各式各樣平行宇宙，是宇宙學經常探討的議題。不過，它們若不是距離太遙遠，就是不和我們的宇宙相連，所以我們幾乎無法直接觀測到其他的宇宙。

　　然而，某些平行宇宙雖然與我們的宇宙不相連，但或許能相互作用，若真如此，我們就可以偵測到它們的直接效應。這個可能存在其他世界的想法，是透過目前解釋大自然基本定律的最佳候選者──弦論，而引起宇宙學家的矚目。雖然弦論探討的弦極其微小，但支配它們性質的原理也預測有較大型薄膜狀的新物體存在，這類東西稱為「膜」。更特別的是，我們的宇宙本身就是個位在九維空間內的三維膜。高維空間的重塑與不同宇宙的碰撞，或許和目前天文學家所觀測到的某些現象有關。

　　弦論一直遭受著一些不友善的抨擊，其中最主要的是認為弦論未能由實驗驗證。這是個合理的懷疑，但不應該只針對弦論，在測試關於極微小尺度的理論時，幾乎都會碰到同樣的困難。目前所有關於基本定律的理論，包括環圈量子重力，都遭遇相同的問題。弦論專家一直在尋找驗證弦論的方法，有個值得期待的方向，是利用弦論來解釋我們宇宙裡一些神秘難解的現象，其中之一就是宇宙膨脹速率為何會隨時間變化。

坐雲霄飛車去
　　明年，「宇宙被一種稱為暗能量的未知成份驅使而加速膨脹」這項宣稱就屆滿10週年了。大多數的宇宙學家認為遠在星系構成前，甚至在原子尚未形成時，宇宙曾經歷一段更迅速的加速膨脹階段，稱為「暴脹」。在這個早期暴脹剛結束時，宇宙的溫度遠高於今天地球上所能觀測到的數十億倍以上。宇宙學家與粒子物理學家發現他們都利用相同的原理，試圖在如此的高溫下解釋物理的基本定律，這個原理互通的想法，激發了以弦論為基礎、全面重新思考早期宇宙的風潮。

　　科學家會提出暴脹的觀念，是為了解釋一些簡單卻令人困惑的觀測結果。其中許多和宇宙微波背景輻射（CMBR）有關，那是早期熱宇宙的化石遺跡。例如，CMBR顯示我們的宇宙是近乎完美地均勻。這是很奇怪的事，因為一般能均勻散佈物質的過程（例如流體的流動）根本沒有足夠的時間進行。1980年代早期，現任職美國麻省理工學院的古斯（Alen H. Guth）發現，宇宙若曾經歷一段極迅速的膨脹期，就能夠解釋這個均勻性。這樣的加速膨脹會稀釋所有之前已存在的物質，並弭平宇宙的能量密度不均勻之處。

　　同時不可忽視的是，這個過程並沒有讓宇宙變得完全均勻。由於支配次原子範圍物理之量子定律的統計特性，使得空間的能量密度在暴脹階段不停地起伏。暴脹像個巨大的投影機，把這些微小的量子起伏放大到天文尺度，我們可以據此預測往後出現在宇宙歷史上的密度擾動情形。

　　從CMBR看到的特徵，非常精準地符合暴脹理論的預測。這項觀測的成果使得暴脹在描述極早期宇宙行為的各學說中居於領先地位。不久之後的衛星任務，例如歐洲太空總署預計在明年發射的普朗克衛星，將會尋找關於暴脹的確切證據。

　　但在物理定律的限制下，是否真能發生這種暴脹呢？我們確信，如果宇宙充滿了普通形式的物質，將非常難以加速膨脹。想讓宇宙加速，必須有一種性質非常不一樣的能量：當宇宙膨脹時，其能量密度必須為正且幾乎保持不變，之後這個能量密度還得突然降低，以便結束暴脹。

　　乍看之下，似乎沒有任何東西的能量密度可維持不變，因為空間的膨脹會稀釋它。但有一種稱為純量場的特殊能量來源，可以迴避這種稀釋的效應。你可以把純量場視為類似氣體的一種非常原始的物質，充滿整個空間，但其行徑與氣體完全不同，它比較像是我們熟知的電磁場或重力場，而且還更簡單些。純量場這個名詞代表它可以簡單使用一個數字（場的強度）來描述，且這個數字會隨著空間中位置的更動而改變。相對的，磁場是個向量場，因為每個位置的磁場同時具有強度與方向（指向磁北極）。我們常在氣象報告裡聽到的用語也可做為例子：溫度與壓力屬於純量，而風速則是向量。

　　驅動暴脹的純量場稱為「暴脹場」，它在驟然終止前的很長一段時間內，顯然加速了宇宙膨脹。這個動力學過程很類似搭乘雲霄飛車：車子一開始慢慢地爬上一處和緩的山坡。（「慢慢地」一詞是相對的，整個過程在人類的眼中還是相當快速。）然後是一段讓人喘不過氣的驟降陡坡，此時位能轉化為動能，最後變成熱。這種行為很難複製，過去25年，物理學家提出過各式各樣的模型，但沒有一個令人滿意。由於我們並不清楚在超高能量的狀態下究竟會發生什麼事，尋找正確暴脹模型的工作就被我們的無知耽擱了。

令人驚奇的膜
　　在1980年代，物理學家逐漸採信暴脹理論的同時，另一個截然不同的研究領域也正在為了能更深入了解該議題而有所進展。弦論認為次原子粒子其實是像極小的橡皮圈的一維物體，有些弦會形成迴圈（閉弦），其他則是兩端自由的一小段弦（開弦）。這個理論把所有已知的基本粒子和更多未發現的粒子，視為處在不同震盪模式下的弦。弦論最棒的地方是它本身就包含了重力，也就是說，重力很自然地從理論中浮現出來，而不必一開始便假設它的存在。

　　假如這理論正確，那麼空間就不像我們所見的樣子。特別是，弦論預期空間應有九個維度（若再加上時間，則時空共有10個維度），那比一般代表長、寬、高的三維還多了六個維度。我們看不見那些額外維度，它們或許非常渺小，以至於我們根本無法置身其中而忽視了它們的存在。例如停車場裡若出現髮絲般的細縫，相當於在平地上增加了第三個維度（深度），但由於細縫太小，你可能永遠也不會注意到。即使是弦論專家也很難想像九維空間長成什麼樣子。但如果要說物理發展史曾給過我們什麼教訓，那就是世界的真實本質往往超越我們所能直接想像的。

　　儘管叫做「弦」論，這理論並不只與弦相關，它還包含另一種稱為狄利克雷膜（Dirichlet brane）的東西，簡稱D膜。D膜是飄浮在空間裡具有質量的大型曲面，它們的行為類似滑溜的蒼蠅紙：開弦的尾端可在其表面移動，但卻無法脫離它。像質子和電子這樣的次原子粒子的本質，可能就是開弦，如果真是這樣，它們必然被局限在一片膜裡。只有少數像重力子（傳輸重力的媒介粒子）這樣的假設性粒子屬於閉弦，可以自由自在地在額外維度間運動。這項區別提供了我們看不見額外維度的第二個理由：我們的儀器是使用被困在膜裡的粒子所建造的；未來的儀器或許能夠利用重力子來探索那些額外維度。

　　D膜可擁有不超過九的任意數目維度。零維D膜（D0膜）是一種粒子，D1膜是一種特別的弦，D2膜是一種薄膜或一道牆，D3膜則是具有長、寬、高體積的區域，以此類推。我們整個可觀測的宇宙可能就陷在這樣的一個膜裡，稱為膜世界，其他的膜則遊走八方，每一片都是深陷其中者的宇宙。由於膜可在額外維度中運動，它們的行徑就像粒子，可以移動、碰撞、毀滅，甚至像行星般形成膜系統而互相繞轉。

【本文轉載自《科學人雜誌》2007年12月號】