重力波照亮量子重力之路

作者： 撰文／克勞斯（ Lawrence M. Krauss ）翻譯／李沃龍 | 科學人雜誌 – 2014 年 11 月 1 日

最近關於早期宇宙重力波的發現若經確認無誤，將讓我們得以一探重力與量子力學之間的關聯，或許還能證實其他宇宙的存在。

重點提要

■今年 3 月科學家宣佈，他們發現了極早期宇宙所發出的重力波。

■如果這項發現確認無誤，研究人員將得以檢視時間的起點，可能找到一個統合量子力學與重力的方法。

■這項發現可能提供間接證據，來證實多重宇宙（像無限多泡泡般連結卻實際彼此分離的宇宙）的存在。

今年 3 月，操作南極微波望遠鏡實驗的一個科學團隊，公佈了一項震驚科學界的發現，宣稱觀測到宇宙幾乎在時間起點就已發出的訊號。這推定的訊號深埋在極早期宇宙（在大霹靂後僅一兆兆兆⋯⋯分之一秒）重力波所遺留的輻射裡。

這項觀測若確證為真，將會是數十年來最重要的科學發現之一。這將讓我們得以測試迄今科學家提出關於宇宙起源的那些概念，也將幫助我們連結解釋次原子世界的最佳理論和描述宏觀宇宙的最佳理論（基於愛因斯坦的廣義相對論），甚至可能提供強力（雖然間接）的證據，證明其他宇宙的存在。

自消息宣佈以來，就有其他科學家質疑此訊號是否正確無誤。他們的懷疑促進了其他能夠確證或否定此宣稱的實驗觀測，大多數的實驗在明年就可以完成。雖然仍不確定是否已觀測到來自極早期宇宙的指標訊號，但我們不需等待太久就能夠知道答案。目前此刻，我們對宇宙的探索懷有極高的期待。

通往暴脹之路

我們究竟如何來到此戲劇性的時刻？一切起始於兩項關於早期宇宙的矛盾，而此指標訊號（如果正確）或許可幫忙解決這兩項矛盾。

第一項矛盾和宇宙的大尺度幾何性質有關。自 138 億年前大霹靂形成宇宙之後，它便不斷膨脹、擴張。即使在如此長期的擴張後，宇宙仍保持近乎完美的平坦。大多數人向來認為我們居住於一個平坦的三維宇宙裡，平均而言，光在宇宙中以直線行進。

麻煩的是，廣義相對論認為平坦的宇宙並非必然之事，實際上，這是一個特殊而稀奇的結果。就像宇宙歷史上大多數時期所顯示的那樣，當物質或輻射是宇宙主要的能量型態時，些微不平坦的宇宙就會在膨脹過程中迅速偏離平坦宇宙的特性。如果宇宙曾有些許偏離，今日看來便會是個開放宇宙（空間彎曲如馬鞍狀），或是個封閉宇宙（空間彎曲如球面一般）。若宇宙今日仍要保持平坦，則早期的特性必得經過離譜且不可思議的「精調」（ fine-tuned ）才行。

第二項矛盾和宇宙大尺度結構從各方向上看來都一樣有關，這奇特的現象指出宇宙的均向性。然而，從廣大的可觀測宇宙一端所發出的光，直到最近才能夠抵達另一端。這麼寬闊的距離，代表了宇宙先前相距遙遠的各區域無法互通訊息（物理學家稱它們並無任何「因果接觸」）。那麼，各區域怎麼能夠演變成如此相似？

1980 年，有位名叫古斯（ Alan Guth ）的年輕物理學者，在思考這些矛盾時忽然想到了解答：基於粒子物理的概念，他猜測宇宙在誕生後可能隨即像氣球般迅速膨脹。古斯因思索粒子物理標準模型中稱為自發失稱（ spontaneous symmetry breaking ）的核心理論，而想出這個稱做「暴脹」（ inflation ）的概念。自發失稱描述原本統合的作用力在分開後將會發生什麼事情。

目前的證據顯示，宇宙至少發生過一次自發失稱事件。根據電弱理論，現今宇宙看來並不相似的兩種基本作用力——電磁力（電與磁的作用力）與弱核力（導致原子核放射性衰變的作用力），全是因為宇宙歷史的一次意外所導致。它們曾經是單一作用力。

隨著宇宙冷卻，在大霹靂後約一兆分之一秒時，宇宙經歷了一次相變（類似水從液態轉變成固態），改變了虛無空間的特性。空間不再虛無一物，而瀰漫著一種背景場（某種類似電場的場，但在此狀況下，並不易偵測到該背景場）。這稱為希格斯場的背景場，遍佈整個宇宙。