【科幻科學報 No.617】宇宙是由位元構成的嗎？─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 宇宙是由位元構成的嗎？
▌文／穆易爾（Michael Moyer）
▌譯／張明哲
▌提供／科學人
這個世界是模糊的──霍根（Craig Hogan）如此相信。霍根是美國芝加哥大學的物理學家，也是費米國家實驗室粒子天文物理中心主任，他並不是在隱喻，而是認為若能一窺時空的最小分割，應該會發現宇宙充滿了內在的顫動、持續的嗡嗡聲。這種嗡嗡聲並不是來自物理學家以往所說的粒子的創生與湮滅，或是其他種類的量子泡沫。霍根所說的雜訊來自於：空間不是我們以為的那樣平滑與連續，像是場與粒子活動的透明背景。如果空間是由小塊，或說由位元組成的，就會有霍根所說的雜訊，意味著宇宙是數位化的。
在一個涼爽的早秋午後，霍根帶著我參觀建造中的偵測裝置。費米實驗室園區裡的土黃色草原上，矗立著一棟亮藍色的小屋，在這有著45年歷史的園區裡，這是唯一的新建築。由小屋伸出一條手臂般粗、40公尺長的管線，到一個與其垂直的長形掩體，這個掩體原先是用來將次原子粒子束向北方的明尼蘇達州發射的。霍根所稱的「全像儀」（holometer）就在裡頭，這具儀器是設計用來放大空間裡的顫動。
霍根拿出一根粉筆，開始在藍色小屋的牆壁上寫字，他隨興而仔細地說明了如何利用管中反射的雷射來放大空間的顆粒結構。他先解釋20世紀最成功的兩個理論──量子力學與廣義相對論──為何不可能相容。在最小的尺度下，這兩者都會完全失效。這個尺度之所以特殊，還有一個理由：它和「宇宙的0與1」這種資訊科學有著密切的關聯。在過去幾十年間，物理學家深刻理解到宇宙是如何儲存資訊的，這甚至使他們認為「存在」的基本組成單元可能是資訊，而非物質與能量。資訊由位元組成，而宇宙源自這些位元。
霍根說，如果我們認真看待這種想法，就應該能測量空間的數位雜訊。因此，他設計了一個實驗來傾聽宇宙最基本尺度下的嗡嗡聲。他可能會是第一個告訴你這行不通的人，因為什麼也沒測到。他這種努力算是真正的「實驗」，一種探索未知的試驗。霍根說：「即使是身經百戰的時空物理跟量子力學，也無法預測出我們會看到什麼。不過，對我來說，這正是做這實驗的理由──真正走進去一探究竟。」
那如果真的看到顫動的話呢？霍根說：「它會改變物理的架構。」空間和時間會與我們現在想的不一樣。
多年來，粒子物理學家都沒做過這類冒險式的探討。1960年代末、70年代初，科學家發展出一整套現在稱為粒子物理標準模型的理論與見解，並在之後幾十年裡受到越來越深入、越來越精確的實驗所試煉。霍根說：「一貫的模式是，理論學家先提出一個想法，例如希格斯玻色子，得出一個模型，然後做出預測，再由實驗來判定它是否出局。」所以是先有理論，然後才有實驗。
這種保守的做法之所以存在，有個很好的理由：粒子物理實驗常常貴得離譜。歐洲核子研究組織（CERN）的大強子對撞機（LHC）花了約50億美元建造，是有史以來最精細、最複雜、最準確的機器，現在全球數以千計的物理學家都在關注它。科學家懷疑，如果要蓋能量更高、尺寸更大、造價更昂貴的下一代粒子對撞機，野心太大了，人們可能根本拒絕花這個錢。
LHC的一個實驗，參與的研究人員可能超過3000人，而霍根在費米實驗室的小組僅約20人，其中包括麻省理工學院跟密西根大學的資深顧問，這些人並沒有每天在設備旁邊工作。霍根主要從事理論物理，並不熟悉真空幫浦以及固態雷射這些東西，所以他找了周思庭（Aaron Chou）這位實驗學家共同主持實驗，他在霍根送出計畫時進了費米實驗室。2011年夏天，他們獲得200萬美元的經費，這在LHC只夠買個超導磁鐵跟一杯咖啡，但足以負擔這整個計畫。「低科技可行的話，我們就不用高科技。」霍根說。
這個實驗之所以這麼便宜，是因為它基本上是一個19世紀實驗的改良版，這個著名的實驗摧毀了當時人們對事物的看法。19世紀初，物理學家已經知道光是一種波動，也知道各種波的性質。從池塘裡的水波到空氣裡的聲波，都有幾種共通的重要特性。就像雕塑一樣，波動總是需要介質，某種讓波得以傳播的材料。人們因此推論，既然光是波動，它一定也需要介質，一種看不見的、充塞在宇宙裡的材料。科學家把這種神秘的介質稱為以太（ether）。
1887年，邁克生（Albet A. Michelson）和莫立（Edward W. Morley）設計了一個實驗來尋找以太。他們建造一個L型的干涉儀，有兩條光臂，可測量微小的變動。單一光源放出的光會沿著兩條光臂行進，經光臂尾端的鏡片反射，然後在起始點會合。光通過光臂的時間即使只改變不到一微秒，會合的光也會因此變暗。邁克生和莫立架設好干涉儀後，持續好幾個月監看會合的光。幾個月裡，地球繞著太陽運行，依地球位置的不同，靜止的以太應該會改變光通過垂直光臂的時間。只要測出這種變化，就能確認以太的存在。
當然，這個實驗什麼也沒找到，摧毀了人類百年來的宇宙觀。然而，就像森林大火一樣，將以太清除之後，革命性的新觀念才得以出頭。沒有以太，代表不管你怎樣移動，光的行進速度都相同。幾十年以後，愛因斯坦抓住這個想法，推導出他的相對論。
霍根的干涉儀要找的是和以太類似的背景，一種看不見（或許不存在）但充塞宇宙的材料。藉著兩個相疊的邁克生干涉儀，他想要探索宇宙的最小尺度，在此尺度下量子力學跟相對論都會失效，而資訊則以位元的型式存在。
朗克尺度不只是小，而且是最小的。如果你把一顆粒子放入一個邊長為普朗克長度的方盒裡，相對論說它會比同樣大小的黑洞還重。但是量子力學的定律說，任何比普朗克長度還小的黑洞，所含能量必然少於一個能量量子，而這是不可能的。所以普朗克長度裡藏著矛盾。
普朗克長度的物理，不僅與量子力學及相對論在該尺度失效有關，在過去幾十年內，關於黑洞本質的論辯，更讓我們對普朗克尺度有了全新的理解。我們的最佳理論或許在那兒會失效，但會有其他理論取而代之。有一種想法是，宇宙的本質是資訊，而生成宇宙的基本資訊單元就待在普朗克尺度裡。
「資訊表示事物間的差異。」2011年夏天，史丹佛大學的物理學家色斯金（Leonard Susskind）在紐約大學的一次演講裡解釋：「這是很基本的物理原則，差異從來不會消失，它們可能會亂掉或混在一起，但從來不會消失。」即使這本雜誌在資源回收廠裡被溶成紙漿，這些頁面上的資訊雖會被重組，但不會消失。理論上，破敗的過程可被逆轉，可以從紙漿裡重建文字與相片，即便實際上這幾乎是不可能做到的。
物理學家長久以來同意這項原則，除了一個特例：如果這本雜誌被丟進黑洞裡呢？畢竟，沒有任何東西可以從黑洞裡出來。把紙張丟進黑洞之後，黑洞似乎會和丟進紙張前幾乎一模一樣──或許只是重了幾公克。雖然霍金（Stephen Hawking）在1975年說明黑洞可以輻射出物質與能量（現在稱為霍金輻射），但這種輻射似乎不具有結構，只是單調的嘶嘶聲，因此他下的結論是：黑洞必然會銷毀資訊。
霍金的同儕，包括色斯金跟荷蘭烏特列茲大學的理論物理學家特霍夫特（Gerard Hooft，後來獲得1999年諾貝爾物理獎）都認為這不合理。色斯金解釋：「只要你開了一扇門，允許一點點資訊消失，就足以讓整個我們已知的結構崩壞。」
不過，霍金並沒有認輸，所以物理學家在接下來的20年裡發展出能夠解釋這個差異的一個新理論：全像原理。這理論是說，物體掉入黑洞之後雖然消失了，但是這物體的資訊卻烙印在環繞黑洞的曲面上。只要有正確的工具，理論上就能夠像回收廠的紙漿一樣，由黑洞重建出雜誌。黑洞的事件視界，也就是任何東西都有去無回的邊界，肩負著做記錄的任務，所以資訊並沒有消失。
這個原理不只是一種記錄的手法，它代表著雖然我們的世界看起來像是三維的，其中的資訊卻儲藏在二維的曲面上。還有，固定面積上所能儲存的資訊量是有限的，如果你把曲面切割為棋盤狀，每個方格的邊長為兩個普朗克長度，則這個曲面的資訊量一定會少於方格數。
1999~2000年，現在任職美國加州大學柏克萊分校的布索（Raphael Bousso）發表了一系列的文章，說明了如何將全像原理由黑洞外的簡單曲面進一步推廣。他想像在黑暗中，有一物體被一堆閃光燈圍繞著。往內匯聚的光形成一曲面，像是以光速收縮的泡泡。就在這個二維曲面（稱為光曲面，light sheet）上，儲存著所有關於你（或是流感病毒、超新星等）的資訊。
根據全像原理，這個光曲面得做許多事。它有著曲面內所有粒子、電子、夸克、微中子以及其間作用力的資訊。不過，只把光曲面想成一張底片，被動地記錄真實世界發生的事情是不對的。其實應該是先有光曲面，它將資訊投射到世界裡，創造出所有我們看到的東西。在一些解釋裡，光曲面不只產生了所有的力與粒子，還給出時空本身。普林斯頓大學的物理學家福林（Herman Verlinde，曾經是特霍夫特的學生）這麼說：「我認為時空是突現（emergent）而來的，它是源自於一堆的0與1。」
有個問題：雖然許多物理學家同意全像原理是對的，曲面上的資訊包含這世界的所有資訊，但他們不知道資訊如何烙印上去、大自然如何處理這些0與1，也不知道處理的結果如何產生這個世界。他們懷疑這宇宙就像個大計算機，其資訊變出我們所看到的物理實體，不過現在這個計算機就像個未知的大黑箱。
物理學家對全像原理如此興奮、願意花上數十年來拓展它的最終原因，除了說服霍金他想錯了之外，是因為它說明了資訊、物質，與重力間的密切關係。全像原理或許終將得以調和量子力學與廣義相對論這兩個極端成功、但又不相容的20世紀物理支柱。布索說：「全像原理是量子重力的路標，」這個見解指引著我們前進超越現有的理論，「但我們可能還需要更多的路標。」
這片混亂下，霍根手上沒有大統一理論，只有簡單的全像儀。不過霍根不需要大統一理論；他不必解決所有的難題，只須找出一個基礎的事實：這宇宙是個位元化的世界嗎？如果他做到了，那他就立了一個路標，一個指向數位化宇宙的超大箭頭，告訴物理學家該往哪裡去。
根據霍根的說法，在位元化的世界裡，空間本身是量子的，從普朗克尺度下離散的、量子化的位元突現出來。如果它是量子的，就會有量子力學裡的不確定性。它不會像是平滑的背景般靜止不動，量子力學會使空間變得粗糙且振盪，使周邊的世界跟著受影響。德州農工大學的天文學家桑澤夫（Nicholas B. Suntzeff）說：「取代宇宙裡這種古典、透明、晶體般的以太的，是在極微小尺度下的微小泡沫起伏。它大大改變了宇宙的質地。」
問題是，要如何鑽進時空泡沫的尺度，並加以測量？這時我們會遇到普朗克尺度的問題。霍根的全像儀試著避免直接面對普朗克長度，因為它實在太小了，要以現有的實驗（例如粒子加速器）測量它，所需要的儀器尺寸幾乎得橫跨整個銀河系。
邁克生和莫立利用干涉儀探測事實上並不存在的以太時，藉著比較兩道行進了一段距離的光束來測量微小的改變（地球繞太陽運行時光速的變化）。基本上，距離越長，訊號越佳。霍根的干涉儀也是如此。他鑽到普朗克長度所用的策略，就是在處理顫動的量子系統時，測量累積的誤差。
「當我看電視或電腦螢幕時，每個畫面都是平滑而清楚的。」周思庭說道：「不過如果靠近一點看，就會看到像素。」時空也是如此。在我們人類覺得自在的層級，也就是人、建築物、顯微鏡的層級，空間似乎平滑而連續，我們從來沒看過街上的車輛像被雷擊一般、突然跳動位置。
然而在霍根的全像世界裡，這種事就是會發生。空間本身是離散的、或說是量子化的，它從一個更深入的、我們仍不了解的基本量子系統裡浮現。「這有點像在騙人，因為我並沒有理論。」霍根說：「但這只是第一步，我可以對理論重力學家說：『你們去負責想吧。』」
根的全像儀跟邁克生和莫立的很像，差別在於多了微電子電路及兩瓦特的雷射。一個雷射光束打到分束器之後一分為二，這兩個光束沿著L型干涉儀兩條40公尺長的光臂行進，經兩光臂底端的鏡片反射後，回到分束器並會合。不過，霍根要測的不是地球在以太中的運動，而是分束器被有微小起伏的空間晃動後，光束路徑長度的改變。如果時空在普朗克尺度下像翻騰的海面的話，分束器就會像是浪上晃動的小艇。雷射光束在全像儀來回行進的時間裡，分束器的晃動累積到夠多的普朗克長度，就可以被測量出來。
當然，關於分束器為何會在這兒或那兒動上幾個普朗克長度，你可以想出許多理由，例如大樓外發動中的汽車引擎，或是伊利諾的強風晃動了基座。
這些問題困擾著另一個干涉儀計畫的科學家，也就是在路易斯安那州利文斯頓及華盛頓州漢福郊外所建造的雷射干涉儀重力波觀測站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）。建造這個大型的實驗站是為了觀測重力波，例如中子星碰撞之後所產生的時空漣漪。不幸的是，對LIGO的科學家來說，重力波晃動地面的頻率和其他較無趣的事件所產生的一模一樣，例如，一旁經過的卡車和倒下的樹。因此，偵測器必須完全隔離雜訊及避免振動。（政府打算在位於漢福的實驗設施附近建風力發電站，這件事讓相關的物理學家大為驚慌，因為僅是葉片的振動就能讓偵測器充滿雜訊。）
霍根所要找的晃動會快得多，每秒顫動個幾百萬次，所以不會有相同的雜訊問題，只有附近調幅無線電台以相同頻率放送的廣播可能會干擾到。芝加哥大學的物理學家、現在正參與全像儀的梅爾（Stephan Meyer）說：「沒有其他東西是以那個頻率振動，如果我們發現了，那就是一個可信的信號，表示真的有顫動。」
在粒子物理的世界裡，可信的信號並不容易獲得。霍根說：「這算是種老式的做法，適用於這種老式物理，也就是『我們想要沒有偏見地找出自然界在做什麼』。」為了便於理解，他喜歡講一個跟相對論及量子力學的起源有關的對比。愛因斯坦坐在桌子前，由第一原理出發，以數學推導而發現廣義相對論。它解決了少數幾個實驗的困惑，而要到幾年後才有第一個真正的實驗測試。另一方面，量子力學是因為有許多令人困惑的實驗結果，逼著理論學家非解決不可（霍根說：「如果不是受到數據所逼，沒有一個正常的理論學家會發明出量子力學。」），結果它成了科學史上最成功的理論。
同樣的，這幾年來理論學家建立了弦論之類的漂亮理論，雖然還不清楚應該如何測試它，也不知道是否真的有辦法測試。霍根建造全像儀的目的，就在於創造出令人困惑的數據，讓未來的理論學家解釋。他說：「物理停滯不前已經很久了，如何重新讓它動起來？有時候靠的就是一個實驗。」
（本文原載科學人2012年第121期3月號）
科學小視窗 ■ 海洋酸化 3億年來最嚴重
▌文／科科報編輯小組
海洋嚴重污染，一項最新研究顯示，目前地球上海洋酸化的速度，恐怕是3億年來最嚴重的，這對於海洋生物帶來的後果無法推估。
據法新社報導，一份發表在《科學》期刊上的跨國研究，檢視了古海洋學研究發現，目前海洋酸化的速度是3億年來未見，先前5600萬年前古新世海洋酸化造成海洋生物相繼死亡，但該時期暖化的原因到現在仍是未知。
研究團隊指出，碳排放沒有削減的跡象，會讓海洋酸化、海中生物滅絕，不管是珊瑚礁、牡蠣還是鮭魚，未來都岌岌可危。
