天體物理學家 Hakeem Oluseyi 在對談中探討了支撐人類存在的九大宇宙領域,並重點介紹了其中的三個關鍵領域:量子領域、宇宙學領域以及多重宇宙領域 [00:00]。
量子物理 (Quantum Physics) 的世界之所以奇特,是因為它打破了我們在日常生活中所體驗到的所有物理直覺。在這個領域裡,規律與確定性不復存在,取而代之的是機率性。事物會隨機出現或消失,物體甚至能穿牆而過 [00:25]。量子粒子並非我們認知中的實體物質,而是構成萬物的基本要素,例如夸克組成了質子與中子,光子組成了光,而電子本身也是一種基本粒子。當這些粒子聚集時,會產生全新的性質,建構出與微觀現實截然不同的宏觀世界 [00:43]。
大眾常見的原子模型通常被描繪成一個微型太陽系,電子像行星一樣繞著原子核運轉,但這並非事實。行星軌道本質上是在引力作用下的墜落過程,但電子並非墜落於原子核周圍,也不是想像中的微小球體 [01:24]。電子的特性在於每一顆電子都是完全相同的,這揭示了它們的本質。對談中將電子比喻為音樂中的音符,雖然能聽見相同的「C音」,但音符本身並非實體,真正的實體是樂器或嗓音產生的振動。現實世界也是如此,在最基礎的層面存在著 量子場 (Quantum Fields),它們滲透於所有時空中。所謂的粒子,實質上是注入量子場的能量,電子即是 量子電子場 (Quantum Electron Field) 中的激發態,人類本質上是由量子場中的音符組成的交響樂 [02:07]。
即便量子場未被「撥動」產生粒子音符,若將視角縮小,會發現場域仍在持續波動。這種微小的、未達音符強度的振動被稱為 虛粒子 (Virtual Particles) [03:13]。與傳統的電磁場或重力場不同,一般的場通常與物質關聯(如星球或電荷),但量子場似乎沒有源頭,它們僅僅是存在於所有空間中。2012年 希格斯場 (Higgs Field) 的發現證實了量子場的真實性,這種標量場滲透於空間並賦予粒子質量 [03:56]。在物理學中,「場」意味著在空間中每一處都有一個數值,例如電場可以根據強度與方向來界定。場在不同位置具有不同數值,這與 位能 (Potential Energy) 有關,而 動能 (Kinetic Energy) 則取決於物體的運動狀態。量子場被視為真實存在的物理實體 [05:06]。
物理學家長期在思考如何定義粒子,有時將其視為粒子,有時視為波。由於人類建模是為了計算與理解,因此會根據需求將原子建模為連接彈簧的系統、微小球體或是遍布物質的狀態。量子物理的數學核心是 波函數 (Wave Function),這是一種在 向量空間 (Vector Space) 中的數學描述。雖然波函數缺乏經典力學的直觀感,但它能提供極高精度的測量答案 [06:16]。波函數的運作涉及複雜的向量數學,不同於常見的 XY 平面向量,量子向量的軸代表的是可觀測的物理量,如位置、動量或能量 [08:01]。
在測量前,系統狀態是所有可能性的組合。例如一個向量位於 X 與 Y 軸之間,一旦測量,它會突然崩塌至其中一個軸上,而非簡單的旋轉。若有五個可能的位置,就如同有五個維度的軸,預測結果是基於初始狀態的機率,但在測量前永遠無法預知確切結果 [09:03]。以鐵塊的 晶格 (Lattice) 為例,原子並非固定在某點,該點反而是原子停留時間最少的地方。這如同擺盪的單擺,在平衡位置的速度最快,停留時間最短,而在兩端極點停留時間最長。量子波函數是否代表向量在空間中的平均位置或某種運動表徵,目前仍是未知。這些向量存在於 希爾伯特空間 (Hilbert Vector Space),在現實世界中沒有對應的實體顯現 [10:49]。薛丁格方程式 (Schrödinger Equation) 描述了這個怪異空間中的向量隨時間變化的規律,卻能精準對應現實的測量結果 [12:57]。
關於量子場與時空的關係,時空 (Spacetime) 是宇宙中所有地點與時間的結合,透過 度規 (Metric) 來測量。目前物理學界尚無法在基礎層面上實現時空的量子化,特別是在高能狀態下。有一種觀點認為量子場是疊加存在的,如同游泳池同時裝滿了綠、紅、藍、紫各色果凍,它們共存於同一空間。Oluseyi 認為時空是基本的,因為場的生存需要幾何背景(空間),而能量造成的變化需要前後順序(時間)。這類比於銀河系與超大質量黑洞,兩者相輔相成,難以斷定誰先存在 [13:31]。
量子纏結 (Quantum Entanglement) 指的是多個實體表現得像單一實體的現象,彼此必須處於互補狀態。對談中提到,這可以比喻為一對雙胞胎,一人坐著另一人必站著,即使相隔數光年,這種關聯依然存在。然而,這涉及了「當下 (Now)」的定義。愛因斯坦證明了同時性取於觀察者的運動狀態與重力能。仙女座悖論 (Andromeda Paradox) 進一步揭示,這種效應會隨距離加劇,導致不同觀察者對同一事件的時間判斷可能相差數百年。雖然人類已在地球與衛星間測得纏結,但在跨越宇宙級的極大距離時,底層現實仍是一個謎 [16:47]。理解量子領域需要拋棄大眾文化的類比(如電影《蟻人》),清空大腦並從數學基礎重新建構,這對物理學家來說同樣具備挑戰性 [20:09]。
進入 宇宙學領域 (Cosmological Realm),其核心在於動態時空,表現為時空的曲率與運動(伸展與波動) [21:12]。理解天文尺度的現實需要掌握關鍵數據:月球質量是地球的 1%,直徑是四分之一;火星質量是地球的 10%,直徑是二分之一;太陽直徑則是地球的一百倍。從觀測天文學的角度來看,月球距離地球約 60 倍地球半徑,當意識到這個距離與其視直徑的關係,天空會呈現出立體感。同樣地,木星雖然巨大,但在夜空中顯得微小,這反映了遙遠的距離 [21:40]。
仙女座星系 (Andromeda Galaxy) 是肉眼可見的最遠物體,在極黑暗處,其光點的視直徑是滿月的數倍(約 3 度),距離地球 250 萬光年。原子的大小約 10 的負 10 次方公尺,原子核為 10 的負 15 次方,而星系尺度則達 10 的 21 次方公尺,這種極端尺度的落差展現了宇宙的巨大 [23:55]。
時空概念起源於閔考斯基 (Minkowski),強調空間與時間的本質關聯。在三維空間中,勾股定理使用加法,但在加入時間座標後,運算變成了減法,意味著空間與時間在彼此拉扯。這導致了一個結論:所有物體在宇宙中始終以光速在「時空」中移動。當你在空間中的速度增加,在時間中的速度就必須減慢。你永遠不會在時間中靜止,除非你能以光速在空間移動。重力會將時間的速度轉化為空間的速度,這也是為何靠近引力體會加速 [26:41]。光速限制源於這種「借用」關係:你最初擁有的全部「時空速度」都是分配給時間的,若要在空間移動,就必須從時間速度中扣除。光與引力波沒有質量,因此必須以光速前行,且它們沒有所謂的「靜止參考系」,因此說光「不經歷空間或時間」在物理定義上是不精確的 [30:47]。
宇宙可以同時是彎曲且平坦的。局部而言,地球、太陽、星系周圍的時空都是彎曲的。銀河系的暗物質暈、物質集中處以及中心的超大質量黑洞,都會造成時空的深度凹陷。然而,若從大尺度觀察,宇宙就像表面有坑洞但整體平滑的球體,呈現出大尺度的全球平坦性 [33:09]。在宇宙學尺度上,宇宙並非靜止而是正在膨脹。空間在流動、波動與拉扯,這超出了人類的日常直覺。為了理解膨脹,可以想像一個帶有經緯線的球體,星系位於交叉點上,當球體膨脹,交叉點間的距離拉長,但星系在座標網格中的位置並未移動。這被稱為「膨脹拖曳 (Expansion Drag)」,大多數星系的運動並非源於其內在移動,而是網格本身的擴張 [35:10]。
這如同河裡的蝌蚪:岸邊的水流與河岸摩擦而緩慢,可見蝌蚪相對於水游動;河中央的水流極快,遠處觀察者只會看到蝌蚪隨湍急水流遠去,看似與那一團水相對靜止。時空亦然,遠方星系被空間膨脹這條「傳送帶」帶走,其遠離速度甚至可以超過光速,這並未違反局部物理,因為拉伸速度是不受限制的 [37:33]。
宇宙膨脹打破了「全宇宙共有的當下」這一觀念。時間流逝速率取決於能量狀態:重力井越深(如地球表面),時間越慢;速度越快,時間也越慢。宇宙網的纖維狀結構處時間流逝較慢,空洞處則較快。儘管如此,科學家仍能利用「事物演化」與 宇宙微波背景輻射 (CMB) 作為公認時鐘。恆星鍛造元素的順序提供了演化的指標;而 CMB 隨著空間膨脹被拉長波長,這種平均值能提供參考基準 [39:26]。基於 宇宙學原理 (Cosmological Principle),宇宙是大體均勻且各向同性的,這允許科學家建立守恆定律與加速方程式來推算過去與未來 [42:08]。
所有觀察都是在觀察過去,因為光速相對於龐大的宇宙是非常緩慢的。看到 250 萬光年外的星系,就是看到它 250 萬年前的樣子。人類無法看到一百萬年前的自己,因為那需要超越光速趕上當時發出的光再回頭看。這種光速限制是人類必須接受的生命局限 [43:54]。在膨脹宇宙中存在多種邊界:哈伯球 (Hubble Sphere) 是遠離速度達光速的界限,約 140 億光年;宇宙事件視界 (Cosmic Event Horizon) 則約 160 億光年,超過此處今日發出的光將永遠無法抵達我們,如同在速度超過跑速的跑步機上奔跑。而 粒子視界 (Particle Horizon) 約為 460 億光年,代表的是今日能接收到的最遠光線來源點 [46:04]。
目前宇宙仍處於嬰兒期,若將其預期壽命比作 100 歲的人類,現在僅出生兩三天。我們之所以能觀察宇宙,正因為它還年輕。未來,膨脹會將所有不具重力束縛的星系推離事件視界。最終,銀河系與仙女座星系將合併成一個巨大的星系,屆時除了觀測 CMB 與脈衝星測量引力波外,觀測其他星系的時代將告終結 [50:13]。
在 多重宇宙領域 (Multiverse Realm) 中,宇宙被定義為一個與外界隔絕的體積,內部擁有特定的物理常數(如萬有引力常數、普朗克常數、波茲曼常數等)。量子力學的 多世界詮釋 (Many Worlds Interpretation) 試圖解決「測量問題」。在測量前,系統是可能狀態的總和;測量後,則只會出現一種結果。哥本哈根詮釋主張狀態崩塌,而多世界詮釋則認為所有狀態皆真實發生於不同的宇宙中。每進行一次測量,就會產生新的平行宇宙分身 [52:08]。以 康普頓散射 (Compton Scattering) 為例,光子與電子交互作用時展現粒子性,若每次這類微觀交互作用都觸發宇宙分裂,宇宙的數量將多到難以想像。這種理論雖然怪異,但有人認為它比「波函數崩塌」更符合物理性 [55:30]。
雖然目前主流認為這些宇宙彼此隔絕,但若理論為真,未來可能研發出跨宇宙交互作用的技術。曾有理論假定重力之所以微弱,是因為它「洩漏」到了平行宇宙,而暗物質可能是鄰近宇宙物質的重力拉扯。雖然此測量尚未成功,但展現了探索的可能性 [58:12]。宇宙學中另一種多重宇宙概念源於解決「平坦性問題」與「視界問題」的 暴脹 (Inflation) 理論。在宇宙誕生之初極短的瞬間,空間經歷了無數次翻倍。這解釋了為何相隔遙遠、看似從未接觸的區域,在 CMB 測量中卻具有相同的溫度。這暗示這些區域曾處於彼此的視界內,隨後被暴脹彈開 [01:00:57]。
這類比於烘烤麵包:麵包(整體空間)在膨脹,內部的氣泡(泡泡宇宙)各自獨立演化。這種 永久暴脹 (Eternal Inflation) 機制會不斷產生新的宇宙泡泡,每個泡泡有其獨特的時空曲率與歷史。人類從在非洲草原撿拾殘渣,演化到利用量子技術測量宇宙起源。普朗克衛星 (Planck Satellite) 觀測到的「超視界波動 (Super Horizon Fluctuations)」訊號,為永久暴脹理論提供了強力的間接證據 [01:03:34]。
科學史上,數學方程式常預測出真理(如麥斯威爾預言光是電磁波),但也可能產生無意義的殘餘數值。愛因斯坦預言的黑洞與引力波,在數十年後才被證實。這提醒我們必須認真對待科學預測,並支持前衛思想的探索。宇宙不在乎人類認為什麼是真的,科學的任務是傾聽並詢問宇宙的本質,而計算與觀測則是宇宙給予我們的答案 [01:07:14]。