問世間時空為何物？

07-14

已獲得外研社科學出版授權

撰文：斯科特·多德（Scott Dodd）

翻譯：Ｋingmagic

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時間為什麼沒有箭頭

從表面上看起來，時間很平凡，就像一條單行道，但從物理的觀點來看，過去、現在和將來都是同時發Th的。針對這個明顯與事實矛盾的問題，物理學家們提出了不計其數的解釋，但是沒有一個解釋能讓人滿意。

弦理論

弦理論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的粒子，這些看起來像粒子的東西實際上都是很小很小的弦的閉合圈（稱為閉合弦或閉弦），閉弦的不同振動和運動就產Th出各種不同的基本粒子。弦理論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論。

「Emoclew dna olleh.」2007年10月，在紐約科學院召開的一場學術會議上，美國哥倫比亞大學的弦理論專家布萊恩·格林（Brian Greene）以此作為開幕詞。接著，他解釋說：「如果你明白這是在倒著說『Hello and welcome.』（你好，歡迎），大概你就沒必要出席這場會議了。」

但是，場內眾多世界頂尖理論物理學家和宇宙學家沒有一個人離開。他們聚集一堂，就是為了挑戰時間的奧秘。望遠鏡觀測的新結果和關於量子引力的新看法讓他們相信，是時候重新檢驗時間本身了。美國麻省理工學院的宇宙學家馬克斯·特格馬克（Max Tegmark）說：「我們已經用其他更難回答的問題，解答了有關時間的經典問題。」從表面上看起來，時間很平凡，就像一條單行道：打散的雞蛋不會恢復原樣，眼角的魚尾紋不會自動消失（如果你沒有注射肉毒桿菌除皺的話），你的祖父祖母也永遠不會比你年輕。但是宇宙的基本定則似乎都表現出時間對稱性，這意味著它們不受時間流向的影響。從物理學的觀點來看，過去、現在和將來都是同時發生的。

針對這個明顯與事實矛盾的問題，過去一個多世紀里，物理學家已經提出了不計其數的解釋，從心理學（時間流動是個幻覺）到物理學（量子力學的一些未知特性可以調和這一矛盾），應有盡有。但是，沒有一個解釋能讓人滿意。 1927 年，天體物理學家阿瑟·愛丁頓爵士（Sir Arthur Eddington）將時間的單向性凝練成一個術語——「時間箭頭」（time』s arrow），並把它和熵聯繫起來：隨著宇宙越來越老，它會遵從熱力學第二定律，變得越來越無序。

但科學家們無法解釋，為什麼有序存在於過去，而無序出現在未來。這個解釋似乎很難捉摸，甚至有人認為，把時間箭頭與熵聯繫起來干擾了其他更加「認真」的研究。物理學家理查德· 費曼（Richard Feynman）在1963年參加一次會議時，甚至拒絕對「時間箭頭是他的功勞」這一說法做出任何評論，並且堅持讓自己在會議記錄上用「X先生」的名字出現。

「這個問題介於科學與哲學之間，許多人在這個『交叉領域』中會感覺渾身不自在。」美國北卡羅來納大學查珀爾希爾分校的物理學家、 2007 年「時間大會」協辦者勞拉· 梅爾西尼－霍頓（Laura Mersini-Houghton）說，「過去20年來，這一領域幾乎沒有取得進展，因為沒有什麼新東西好說。」現在，得益於更強大的觀天利器，上述情況有所改觀。宇宙微波背景輻射作為大爆炸的遺迹，顯示了宇宙創生38萬年後的情景：早期宇宙充斥著熾熱氣體，它們均勻分布、高度有序。在經歷了暴脹（inflation）之後，有序的早期宇宙才變成今天我們所熟悉的、由恆星和原子構成的無序宇宙。

不過，早期宇宙為什麼如此有序（物理學家認為這種狀態極不合理）？是什麼原因讓宇宙如此快速膨脹？這些問題仍然令人迷惑。美國加州理工學院的宇宙學家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）說：「如果打破砂鍋問到底的話，時間箭頭就等於在問，為什麼早期宇宙會是那個樣子？」更複雜的是，宇宙目前正在經歷另一個膨脹過程，由於神秘暗能量的作用，宇宙中的星系正以越來越快的速度相互遠離。「宇宙似乎會永遠膨脹下去，變得越來越冷，與早期宇宙的狀態差異也就顯得更為驚人。」卡羅爾補充道。

就像梅爾西尼－霍頓說的那樣，她和同事將這一領域最出色的一些頭腦召集在一起，是因為「我們不能繼續把這個問題像灰塵一樣掃到地毯下面藏著，希望它會被其他什麼東西解決掉」。與會的都是傑出的物理學家，如格林、特格馬克、加拿大安大略省圓周理論物理研究所的李·斯莫林（Lee Smolin）、美國亞利桑那州立大學的保羅·戴維斯（Paul Davies）和美國加利福尼亞大學戴維斯分校的安德烈亞斯·阿爾布雷克特（Andreas Albrecht）。他們從弦理論、黑洞方程和多重宇宙理論出發，提出了各種可能的解釋。

在眾多對早期宇宙為何如此整潔的理論解釋之中，「多重宇宙」的概念最受歡迎，至少被提及的次數最多。梅爾西尼－霍頓說：「如果能夠接受我們生活的宇宙只是眾多可能的平行宇宙的其中之一，多重宇宙就是最為合理的解釋。」那些一開始就更加混亂的宇宙，也許無法維持或演化到足以產生智慧生命的地步。因此，從這個意義上來講，時間的單向流動，甚至包括我們自身的存在，都只是一個巧合而已。

一些與會者說，理解時間的本質對於回答其他基本問題至關重要，如奇點

（singularity）中心發生了什麼、宇宙膨脹會不會發生逆轉導致宇宙坍縮等。隨著宇宙學觀測數據的不斷累積，物理學家做出的有關時間本質和早期宇宙的預言很快就可以通過新的觀測予以檢驗。梅爾西尼－霍頓說：「我們現在能夠觀測到比以前多得多的東西，也就是說，（在理解時間本質方面）我們可以更加大膽一些。」一切只是一個時間問題而已。

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我們身處十維空間

弦理論認為，至少需要10個維度才能建立使引力和量子力學相互兼容的理論框架，宇宙中所有的普通粒子都被局限在一個四維的膜宇宙中，只有幾種特殊粒子可以從膜空間中穿進穿出。費米實驗室的觀察結果與這一預言十分接近。

微子可算是粒子物理中的一個異類——既不帶電荷，也很少與其他粒子相互作用。它們可以分為三類——電子中微子、μ中微子和τ中微子，而且在傳播過程中，會瘋狂地在不同類的中微子之間振蕩變換。過去五年來，美國費米國家加速器實驗室（位於伊利諾伊州巴達維亞市）的研究人員，一直在向迷你增強型中微子實驗（MiniBooNE）探測器發射μ中微子束，看看到底有多少粒子在飛行途中轉變成了電子中微子。MiniBooNE探測器是一個巨大的球形水箱，其中裝有滿滿800噸礦物油，用來探測電子中微子。

2007年4月，研究人員公布了首批結果，基本上與粒子物理標準模型吻合。不過，數據中也存在一個無法解釋的異常現象，它或許打開了一扇通向更奇異的物理世界的大門。科學家推測，導致這一異常現象的原因在於，世界上還存在另一種全新的中微子，它能穿越弦理論所預言的額外維度，走出一條捷徑。

科學家開展此項研究的動機，源於美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室在20世紀90年代進行的一項實驗。在那項實驗中，科學家找到了第四類中微子——惰性中微子（sterile neutrino）存在的證據。這種假定存在的粒子比其他三類普通中微子更加詭異，因為它不像其他中微子那樣受到弱核力（ weak nuclear force）的作用，只能通過引力與其他物質發生相互作用。惰性中微子的存在將直接挑戰粒子物理標準模型的正確性，因此，研究人員迫切渴望實施另一項類似的實驗，來證實或者推翻這一發現。不過， MiniBooNE實驗的結果卻是一個大雜燴。對於能量範圍為4.75億～30億電子伏特的中微子而言，發生中微子振蕩的數目與標一位研究人員正在檢查光電倍增管， MiniBooNE探測器就是用這種光電倍增管來探測中微子與其他粒子發生相互作用時發出的閃光的。

准模型的預言精確吻合；而在能量較低的區域，研究人員發現電子中微子的數目明顯偏多。更奇怪的是，三位物理學家已經預料到了這一結果。他們的研究工作是弦理論的副產品。弦理論確信，至少需要 10個維度才能建立一個理論框架，讓引力與量子力學相互兼容。為了解釋為什麼我們無法感知到額外的維度，弦理論科學家假定，宇宙中所有的普通粒子也許都被局限在一個四維的膜宇宙（brane）中，而膜宇宙又飄浮在一個更高維度的體宇宙（bulk）里，就像一片巨大的捕蠅紙懸浮在空中一樣。不過，幾種特殊的粒子可以從膜空間中穿入穿出，其中最出眾的就是引力子（graviton，傳播引力的粒子）和惰性中微子。 2005 年，美國亞拉巴馬大學的海因里希 · 帕斯（ H e i n r i c h P a s ）、夏威夷大學的桑迪普·帕克瓦薩（Sandip Pakvasa）和范德比爾特大學的托馬斯· 魏勒（Thomas J. Weiler）提出，如果膜空間是彎曲的，或者在微觀上受到了扭曲，那麼惰性中微子就會從體空間中的捷徑中穿過。這些捷徑可以影響中微子振蕩，在特定的能量範圍內增加某一種轉變的發生概率。

MiniBooNE的實驗結果與帕斯、帕克瓦薩和魏勒的預言十分接近。一些參與實驗的研究人員因為兩者如此相似而震驚，甚至給三位理論物理學家發去電子郵件表示祝賀。MiniBooNE小組的新聞發言人比爾·路易斯（Bill Louis）在郵件中寫道：「你們的模型看上去與我們在低能端觀察到的電子中微子數量偏多的現象十分吻合，這確實令人吃驚！」科學家此前從未在實驗中找到過弦理論的證據，因此，證實額外維度的存在確實是一件了不起的突破。

也有物理學家謹慎地指出，這種相似性也許不過是一場離奇的巧合。MiniBooNE的研究人員正在重新審視他們的結果，以確定背景效應或分析失誤會不會影響他們對電子中微子的計數。與此同時，帕斯和他的同事也在進一步修正他們的理論。帕斯承認：「我們的理論粗看上去有一點兒投機取巧。不過，我認為，仔細探討一種可能的解釋，看看它能否被證實，這也是絕對必要的。」

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捕捉額外維度的旅行者

我們熟悉的維度為四維，包括三維空間和一維時間，如果探測到四維之外的額外維度，那肯定是物理學史上驚天動地的發現。現在，美國費米國家加速器實驗室（位於伊利諾伊州巴達維亞）的科學家正在設計一項新的實驗，能夠對那些可以證明額外維度確實存在的誘人跡象詳加探查。費米實驗室有一個名叫「迷你增強型中微子實驗」（MiniBooNE）的研究項目，專門檢測一類難以捉摸的亞原子粒子 —— 中微子。 2007年，參與該項目的科學家聲稱，他們在實驗中發現了令人驚奇的異常現象。中微子質量極小，不攜帶電荷，通常在核反應及粒子衰變的過程中產生。中微子可以分成三類，在粒子物理學中稱為三「味」，分別是電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。在傳播的過程中，中微子會在三「味」中激烈地來回振蕩。在觀測由費米實驗室的一台粒子加速器產生的μ子中微子束流時，MiniBooNE的研究人員發現：在能量低於4.75億電子伏特的低能範圍內，μ子中微子轉變成電子中微子的數目大大超過人們的預期。在對數據進行了一年的分析之後，這些研究人員沒能給這種所謂的「低能過量」現象找到一個正統的解釋。這一神秘現象將人們的關注點引向了一個饒有趣味的非正統假設——也許有第四種中微子在額外維度上跳進跳出。

弦理論學家一向致力於將量子力學與引力理論統一起來，他們早就預言了額外維度的存在。一些物理學家已經提出，或許宇宙中幾乎所有的粒子都被約束在一張四維的「膜」上，這張膜鑲嵌在一個十維的「塊」中。不過，有一種被稱為惰性中微子的假想粒子只能通過引力與其他粒子發生相互作用，它們能夠取道額外維度上的捷徑在這張膜上穿進穿出。2005年，現任職於德國多特蒙德大學的海因里希 · 帕斯（Heinrich Pas）、美國夏威夷大學的桑迪普·帕克瓦薩（Sandip Pakvasa）和范德比爾特大學的托馬斯·魏勒（Thomas J. Weiler）預言，惰性中微子的額外維度之旅能夠增加低能範圍內中微子的振蕩概率，這正是Mini Boo NE在兩年之後得到的實驗結果。

有望發現物理學新規律的前景大大鼓舞了 MiniBooNE研究組，他們很快提出了名為「微觀增強型中微子實驗」（MicroBooNE）的後續實驗構想，以便對惰性中微子假設進行檢驗。構想中的新探測器是一個裝有170噸液態氬的低溫大罐，它對低能粒子的探測將比前任探測器更準確。在中微子相互作用中湧現的粒子能電離所經路徑上的氬原子，從而在放置於大罐內壁的金屬線圈陣列中激發感應電流。科學家可以據此探明粒子的運動軌跡，從而更好地將中微子相互作用與其他事件區分開來，進而確定低能範圍內是否真的存在數量超出預期的振蕩。

MicroBooNE預計花費1,500萬美元，將被建造在費米實驗室MiniBooNE探測器附近，以便兩者能夠觀測同一束中微子束流。2008年6月，費米實驗室物理專業委員會已批准該項目進入設計階段；如果一切進展順利，探測器最快將於兩年後投入運行。研究人員希望MicroBooNE能對後繼的更大型探測器起到拋磚引玉的作用。那些更大型探測器將能容納數10萬噸液態氬，儲液罐將像體育場一樣巨大。這樣的裝置還能搜尋其他假想現象，如極為罕見的質子衰變。耶魯大學物理學家、 Micro Boo NE項目發言人邦尼· 弗萊明（ Bonnie Fleming）說：「這是一項了不起的新技術，將對物理學跨入下一個階段起到至關重要的作用。」

中微子捕手邦尼·弗萊明和米歇爾·索德伯格（Mitchell Soderberg）正在檢查氬中微子探測器（ArgoNeuT），這是液態氬探測器的原型機，將為費米實驗室的MicroBooNE項目鋪平道路。

文章選自《霍金和上帝誰更牛》