物理、科技與人類未來：時間旅行、蟲洞、多重宇宙等理論真的不切實際嗎？

文：Castaly Fan

科幻與現實：超乎想像的物理學範疇

萬物——包含宇宙、建築物、甚至是你和我——正逐漸凋零並消逝。物理不僅在日常科技中扮演重要角色，它更主宰了人類文明的未來發展。身為21世紀成員的我們，務必意識到這些知識、議題、以及事實。

相信各位都有閱讀過科幻作品的經驗。無庸置疑，那些劇情往往看似浮誇、且對於普羅大眾而言總是難以令人置信。然而，事實上有些情節與近代理論物理的研究是有所吻合的。

「物理學」並不僅僅侷限於國高中理化課的知識，實際上它是一門包羅萬象的學科，從你身邊的電腦、GPS裝置、電視、冷氣，小至比DNA還渺小許多的微觀粒子，大至抬頭可見天空、月球、星體、甚至宇宙——這些都和物理學的範疇有著密切關聯。

一般來說，最常見的大概是凝態物理學（condensed matter physics），半導體、超導體、以及近年來相當熱門的量子電腦皆是隸屬於該領域；除此之外，還有原子物理（atomic physics）、生物物理（biophysics）、天文物理（astrophysics）、高能物理（high energy physics）等領域。

無論是何種領域，皆有分為實驗（experimental）、理論（theoretical）兩大類別。對於理論物理學而言，推導、提出模型並預測現象便是最重要的任務，舉凡愛因斯坦、霍金這些物理學家皆是理論物理學家的代表人物。

而在這些領域當中，理論高能物理與天文物理的交叉領域——宇宙學（cosmology）可以說是物理學中最艱澀、抽象但有趣的領域之一。不同於天文物理，宇宙學主要探討宇宙的起源與命運，還有時空的本質，絕大多數歐美科幻作品會引述的名詞也都是出自於這領域。

舉例而言：「蟲洞」（wormhole）事實上源於愛因斯坦廣義相對論的一個可能解；「時間旅行」（time travel）的概念對於微觀尺度下的粒子而言並非全然不可行的；「多重宇宙」（multiverse）的概念源自於量子力學、並且在近幾十年來的弦理論中重新復甦。這些理念看似出自於幻想而非現實，然在某種程度上，它們於理論物理的框架中是有存在的可能性。

電腦的終結：物理與科技的挑戰

雖然人們時常認為物理與生活中的科技無關緊要，但事實上，我們所知的一切科技大多數皆是基於物理定律。對於21世紀的人們而言，「量子力學」（quantum mechanics）的奠基莫過於最重要的里程碑，因為這個理論將世界上的一切以混沌且隨機的「粒子」（particles）來解釋，比如光子、電子、微中子。

舉例來說，當人們意識到電子的存在後，便嘗試操控、應用電子，從而發明了一系列所謂的「電子」產品。舉凡液晶電視、手機、電腦等科技產品——它們皆是量子物理發軔後所衍生出來的產物。

根據Intel創始人所提出的「摩爾定律」（Moore’s law），我們電腦內部微晶片上的電晶體數量每18個月會倍增（也就是製作得更小），換句話說，電腦的運算能力每一年半便會增快兩倍。愈小的電晶體意味著電腦愈驚人的運算速率。

然而大多數的電腦科學家與物理學家們相信，摩爾定律的終點便在不久的將來。原因是量子力學預測電晶體的尺寸將有一個上限，一旦電晶體從5奈米、3奈米縮小至瀕臨原子尺度的大小時，不確定性原理（uncertainty principle）將會主宰、致使電子溢出線管而短路。這就是為什麼當今人工智慧（AI, articifial intelligence）與深度學習（deep learning）的發展，將有可能在日後逐漸取代電腦的能力。

至於所謂的「量子電腦」（quantum computer），其運算速度將會遠超過當今所有電腦的運算能力，其原理是基於量子計算的奇妙性質：傳統電腦的運算僅限於0和1位元，「不是0、就是1」；但量子力學的邏輯閘允許更多的疊加態存在，比如「25％的0位元、75％的1位元」這樣的組合是存在的，也因此，相較於傳統位元瞬間多了無限多個可能性，我們藉此便可以想像得到量子電腦所擁有的驚人計算能力。

順帶一提，根據量子論，一個粒子可以不受距離限制而干擾到遠方的另一個粒子，這稱之為「量子糾纏」（quantum entanglement）效應。有一部分科學家正在研究如何應用這種性質，達成粒子、甚至是宏觀物體的「量子隱形傳態」（quantum teleportation）——用最通俗的說法，就是科幻電影裡一定會出現的「瞬間移動」。

知識的尖端：物理學家的終極目標

對於理論物理學家而言，物理的終極目的在於統一自然界所以交互作用。或許我們高中時期皆曾學過：自然界存有四大交互作用——強交互作用、弱交互作用、電磁交互作用，以及重力交互作用。

你或許會想問：「統一這些作用力有什麼用？」事實上，科學家們相信在宇宙誕生——亦即「大霹靂」（Big Bang）——的一剎那，只存有唯一一個交互作用。漸漸地，隨著溫度逐漸冷卻，該交互作用也逐漸產生分歧，最後便形成了我們所能辨認的四大作用力。因此，統一所有交互作用便得以讓我們描繪出宇宙萬物的圖景。一旦知悉四大作用力的統一面貌時，便意味著解開了宇宙創生之謎。

迄今為止，物理學家已然統一了弱交互作用以及電磁交互作用，也就是所為的「電弱統一理論」（electroweak interacion）。至於強交互作用，目前量子場論（quantum field theory, QFT）可以將包含強作用力與電弱作用力在內的三者囊括於理論框架中。