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2012年3月6日 星期二

宇宙是由位元構成的嗎?

美國有位科學家打算以簡單又造價低廉的實驗,測量宇宙中資訊、物質與時空的密切關係。這項實驗會改寫21世紀的物理規則嗎?
重點提要
■空間或許並非是平滑而連續的,它或許是數位化的、由微小的位元所組成。物理學家認為這些位元太小了,無法以現有的技術測得。
■不過,有一位科學家認為他有辦法偵測這些空間位元結構。他設計建造中的全像儀可望測量出空間的「顆粒」。
■這是第一次以實驗探討宇宙是否源自資訊──明確地說,是那些烙印在二維曲面上的資訊。
■這個實驗成功的話,將會動搖現有的時空觀,讓我們一瞥能取代現有知識的新物理。
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。
【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱科學人2012年第121期3月號】

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