徐一鴻：宇宙的終極奧秘隱藏在哪兒？
哈勃超深空圖（圖片來源：維基百科）
宇宙，可能自我創生，或者是被某種實體、某種存在、甚至某種理論所創造。在已知的物理定律範圍內，宇宙創造者「高靈」是如何為所有的智能生命發送信息呢？
撰文徐一鴻（A. ZEE）
翻譯喬輝
2016年8月24日，天文學家在距離太陽最近的恆星——比鄰星——周圍發現了一顆行星。該行星體積和地球相當，並且與比鄰星的距離合適，恰好允許液態水存在。
事實上，目前天文學家經常會發現可能支持生命存在的系外行星。然而，這顆行星的發現更加令人振奮！這是因為它距離地球僅4.25光年。如果我們能夠製造出以光速10%飛行的星際飛船，那麼僅需花費40多年就可抵達！
鑒於銀河系內驚人的恆星數量，至少上達數千億顆，更不用說整個宇宙中了。因此，大多數科學家認為宇宙中充斥著大量的外星生命。然而，目前最大的未知是，智能生命出現在支持生命的行星上的概率有多少。
為了便於討論，我們在此假定：地外智能生命廣泛地存在。
理論上而言，現在隨時都有可能發現地外智能生命。如果發現了地外智能生命，這絕對是人類歷史上最大的事件。尋找地外智能生命，是一個共同努力的終極目標，且非常有趣。我打算今後在《賽先生》的新專欄中進一步探討。在此，我想先詢問一個更宏大、可能更令人興奮的問題。
宇宙，可能自我創生，或者是被某種實體、某種存在、甚至某種理論所創造。為了避免與宗教權威有所糾葛，我們不為宇宙創造者設定任何可能的特質，只給予它們創造宇宙的能力，並稱它們為「高靈」（Superior Beings）。
那麼問題來了，在已知的物理定律範圍內，「高靈」是如何為所有的智能生命發送信息的呢？
十多年前，Steve Hsu[1]和我就這個問題開展過討論[2][3]。我們從不推測「高靈」的特質，也不推測宇宙有多大概率是它們啟動的[4]。我們只問：如果「高靈」想讓我們知道宇宙是有意地被創造的，那麼它發送信息的載體和內容是什麼呢？
說到信息，我們必須區分信息載體和信息內容。
我想強調的是，這完全是個嚴肅的科學問題，雖然帶有揣測性成分，但仍可以在當代物理的大框架內給出答案。
大眾媒體上經常充斥著從哪裡能夠找到這些信息的建議。舉一個例子，有人認為這種編碼的信息存在於人類基因組中。我們認為，既然人類可能不是一個多麼特別的物種，因而所謂「上帝的神指」應當不會在人類進化的某個過程中對其基因組序列進行重組。更荒謬的是，在美國有些持有某種特定信仰的人認為，上帝的懿旨可能編碼在了「大峽谷」的石頭中，這種說法簡直太無語了。
稍微複雜一點的說法是，這種信息可能深入隱藏在圓周率的數位中或某種迷人的數學構造里，例如黎曼zeta函數。但是，我們仍然沒有辦法知道各個外星文明是如何處理數學的。也有一說，信息是隱藏在素數序列中的，但是外星文明不見得對素數感興趣[5]。
另一種物理上的可能性是，信息被隱藏在了量子電動力學「精細結構常數」中或其它物理參數里。且不說精細結構常數在不同能量下測得的數值不同[6]，從實驗上考慮，任何常數都很難測量到105比特的精確度。（註：以下會簡述105的意義）。
好，既然對上述這些可能性我們不以為然，那麼，我們的觀點是：如何對信息載體做出選擇。
如果是我創生了宇宙，並且想要宣布這件事，那麼我會理所當然地想讓全宇宙中的高等文明（註：例如，基因組序列是針對碳基生命而言，或許並不普遍）都知道，而不僅僅只局限於銀河系內。我們相信，信息的載體必須獨特，而在已知的物理框架內，僅只有一種選擇：即利用宇宙微波背景輻射( Cosmic Microwave Background Radiation)。
對宇宙微波背景輻射不是太熟悉的讀者，在這裡我簡要解釋一下。大爆炸後不久，膨脹的宇宙冷卻到夸克能夠形成質子和中子的溫度。此時，大爆炸初期那些奇異的粒子消失了，只剩下電子、光子、質子以及中子了。帶負電荷的電子與帶正電荷的質子相互吸引，試圖形成電中性的氫原子，但周圍的光子還沒有冷卻下來，只要看到氫原子形成，這些高能光子就把它們重新拆散成電子和質子[7]。隨著宇宙的繼續冷卻，光子的能量變得越來越低，直到再無力拆散氫原子。瞬間，宇宙中到處亂竄的電子和質子結束了單身生活，結合成了氫原子。
（作圖：Stella Zee）
這是我們宇宙演化史上的一個關鍵節點[8]，稱之為「解耦合」（Decoupling），意思是說，光子不再與電子、質子耦合在一起。此時，光子與氫原子的電磁相互作用，比之前光子與電子或質子的電磁相互作用弱了很多。
許多讀過通俗物理書籍的朋友，在這裡常常產生疑惑。他們會問：「光子與周圍的原子不發生作用嗎？」
是的，以人類的標準，它們的確經常發生相互作用。在日常中，光子與原子的互動正是形成我們視覺的基礎：光子進入我們的眼睛，與視網膜上的原子和分子發生相互作用。但是，光子-原子的相互作用比起光子-電子，或光子-質子的相互作用，幾乎少得可以忽略不計。況且，宇宙中光子的數量遠遠大於電子和質子的數量[9]，即使有一小部分光子與新形成的原子發生作用，絕大多數光子仍不受原子的碰撞而自由馳騁。
我們知道，經歷「解耦合」事件，千古萬年，宇宙仍持續冷卻，光子的能量進一步降低。目前，那些光子，大部分已與宇宙中組成物質的原子「解耦合」，也就是說不再發生關聯，而其能量越來越低。現階段的能量水平僅相當於微波爐中光子的能量（註：一個普遍的誤解是，微波爐中的輻射一定相當強，因為它能夠用來燒水和做飯。其實，這是由於微波爐輻射中包含大量光子的原因，而微波中每個光子的能量相較於可見光的光子能量非常微小。）而這些從"解耦合"後剩餘的光子，形成了宇宙微波背景輻射。
宇宙微波背景輻射，就像一個在天空中巨大的布告板，全宇宙的智能文明都能夠看到[10]。
在「解耦合」時期中，宇宙各區域的溫度不可能絕對相同。量子漲落就會導致不同區域在溫度上出現的微小差異[11]（註：僅有十萬分之一的差異），且這種差異性是能夠探測到的。因此，我們提出，一種普適性的信息是可以隱藏在這些溫度漲落的統計關係中的[12]。
宇宙微波背景輻射的圖像相當於宇宙嬰兒期的照片，其中不同的顏色代表不同的溫度區域。
宇宙微波背景輻射全天圖（圖片來源：維基百科）
下一個問題是，信息的內容應該是哪方面的呢？我們想過許多可能性，最後我們認為，任何智能文明都有能力探測宇宙微波背景輻射，而且應該都能夠知道四種基本相互作用中的三種——電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用——受到規範理論的支配，基於一些基本李代數[13]。
因此，我們建議，其中隱藏的信息應該是一則簡單的公告：「嘿！宇宙是受規範理論支配的，而相關的代數是這般這般等等。」
數學上而言，李代數是由嘉當矩陣唯一決定的，但對於我們的目的來說，它僅僅是一個幾乎為零的序列數，零星散布著2』s或?1』s，以便於利用相對較少的比特來進行編碼。
我們進一步估計，利用宇宙微波背景輻射的溫度漲落來編碼的信息量，不會大於105比特。如此，能夠足夠地[14]給出前幾十個嘉當矩陣，以建立編碼所需的模式，以期最終的結果能夠指定規範代數的使用，以及夸克和輕子是如何在規範代數下表現的。
當然，這僅是個建議。或許我們的科學發展仍不夠先進，所以不足以猜讀出宇宙布告上的信息。打個比方，超弦理論學家或許會說，這個信息是告訴我們，哪個是正確的超弦理論，假設超弦理論是對的。
總之，在宇宙微波背景輻射溫度漲落中，有很大可能可以揭示出「高靈」留下了什麼信息給我們。在我的書《可怕的對稱》中，我更喜歡使用「終極設計師」( Ultimate Designer )這個詞。而這種可能性，是迷人又有趣的。
那麼，即使看到了隱藏的信息，我們的討論仍不需要涉及「高靈」是否具有神性的特質[15]。我自認為一個最貼切又有趣的情節是：我們的宇宙，可能是多重宇宙中的一個高中生完成的學校指定的科學作業[16]。他、她或它，像小孩般天真地玩著「螞蟻農場 ( ant farms ) 」的遊戲，在這樣的狀態下開啟了各層宇宙的創造，然後一個接一個，無心地把它們藏放在地下室、車庫或是衣櫃間的某個地方，連父母也礙不著！或許至今，此「高靈」或「終極設計師」，他、她或它，對自創的這些宇宙失去了興趣，也忘記了，任其自生自滅。因而有些宇宙膨脹，有些塌縮，沒有目的和意義。但是，仍可能會有蛛絲馬跡的信息，留給宇宙中的居民。
另一方面，這位「高靈」或「終極設計師」可能是個滿臉青春痘的高中生，或許住在一個有神論的另一層宇宙中。宇宙可能是多層次的，而「高靈」或「終極設計師們」，層層入主。
而我們這層的宇宙，現在了解到是最底層的（註：最底層是因為我們不會創造宇宙，所以再往下看就沒有層了！），可能只是自然神論（deism）的，但上層或其他層的宇宙可能並不盡然，而是有神論（theism）的。此外，一個有階層概念的宇宙，比起一個以散漫連結的宇宙，更為動人！
最後總結：我們應該正視，創造我們宇宙的「高靈」是有可能埋下天機，給我們留下信息的。
在目前的物理框架內，傳遞信息的載體，只有宇宙微波背景輻射，才能夠觸達宇宙中所有的智能文明。
至於信息的內容，是有討論的空間的，但以目前我們所能理解的物理來看，其內容也幾乎是獨特的。也就是說，目前僅有的信息內容，指定規範代數是最簡潔的和最重要的。
今後，當能獲取更為精確的宇宙微波背景輻射數據時，我們力促對所有可能的模式仔細地進行分析和釋義。
注釋
[1] Steve Hsu目前是密歇根州立大學物理系教授，並擔任副校長，主管研究和研究生事務。
[2] S. Hsu and A. Zee, Mod. Phys. Lett. A (2006), pages 1495-1500.
[3] 我們的工作已記述在多種通俗物理書籍中。參見Marcus Chown的書「The Never-Ending Days of Being Dead: Dispatches from the Front Line of Science」 （《死亡的日子永無止盡——來自科學第一線》），費伯出版社 2007；也可參見Z. Merali將於2017年出版的新書「A Big Bang in a Little Room: The Quest to Create New Universes」 （《小屋中的宇宙大爆炸：追尋創生新宇宙》）。
[4] 宇宙由「高靈」創生的想法不僅出現在從古至今的宗教思想中，而且在科幻中大量運用。
[5] 據我所知，中國人從未系統性地研究過素數。如果我的所知有誤，請讀者知會我。
[6] 這些變化源於量子場論效應，我們對此理解得很好。讀者無需關心這種細節。
[7] 更多細節請參見徐一鴻的書《愛因斯坦的宇宙》又名《老人的玩具》（牛津大學出版社），中譯本由清華大學出版社出版。主要讀92頁及往後的內容。
[8] 為了簡化這個故事，我們沒提「複合」（recombination）事件，該事件與「解耦合」（decoupling）事件是不同的。
[9] 嚴格來講，每一個電子對應大約10億個光子。
[10] 同樣有宇宙中微子背景輻射和引力波背景輻射，但中微子和引力波的性質難以捉摸，看起來光子是承載該信息的最佳選擇。
[11] 一個非常重要，但我不想在這裡說太細的技術要點是，因為天空中的不同區域是無法發生因果聯繫的，只有「高靈」才能在宇宙創生時期預置信息。
[12] 現今物理學家認為原初漲落是由量子效應造成的，但在我看來，根據我們目前掌握的量子力學和宇宙學，這幾乎可以肯定是好笑和幼稚的。因此，我們不要追究信息是如何寫入這些漲落中的細節問題。或許「高靈」能夠以我們難以想像的方式，隨意操縱量子漲落呢。
超出計算層面，我們還不理解量子力學。或許在當光子解耦合時，「上帝的神指」就把想要的漲落寫在了宇宙微波背景輻射中了。然而這種對整個宇宙施展積極介入的做法，比起把秘密寫進我們這顆不起眼行星的岩石中至少要合理得多。
[13] 對於不熟悉李代數的讀者，可以在徐一鴻寫的「Group Theory in a Nutshell for Physicists」（《寫給物理學家的群論》，普林斯頓大學出版社，2016）中找到簡單介紹。對於熟悉李代數的讀者，相關的代數是U(1)?SU(2)?SU(3) ? SU(5) ? SO(10) ? E(6)。一個非常有趣的事實是，這個序列E(6) SO(10) SU(5) 可以通過在E6的Dynkin圖上依次刪除小圓圈來得到。數學上，我們可以把SO(10)可以看作E(5)，把SU(5)看作E(4)。
[14] 在我們看來，一些後來跟進的物理學家沒有從第一原理出發，做出了一些武斷的假設，並對我們的估計有爭議，給出了一個較低的數字，大約300比特。但嘉當矩陣一個吸引人的特點是，它們僅需非常少的比特進行編碼，因此即使300比特仍然夠用。
[15] 探討有神論和自然神論，可參見徐一鴻的英文版「Fearful Symmetry」（普林斯頓大學出版社）第293頁。該書2016年再版，正好是首版出版30周年。此書中文簡體版由清華大學出版社出版。同時另有日文、德文、韓文、西班牙文和中文繁體版等。
[16] A. Zee, 「Fearful Symmetry」, page 295.
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