《詩性的宇宙》:宇宙是永恆存在,還是有個開端?

《詩性的宇宙》:宇宙是永恆存在,還是有個開端?
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我們想讓你知道的是

在我們的生命歷程中,不曾見過隨機物件突然冒出來。因此認為宇宙不該就這樣突然冒出來,這樣的想法是可以理解的,起碼可以給予高度的信任度。不過,在這看似無害的想法背後,卻潛藏了兩個非常具體的錯誤。 

文:蕭恩・卡羅爾(Sean Carroll)

為什麼有宇宙?

打從幼年起,我就愛上了宇宙。晚上躺在床上,準備入睡時,我經常在腦中思索浩瀚太空,回溯接近大霹靂時期的萬物相貌,構思有可能存在其他哪些宇宙——到最後我會興起一個念頭:假使我們的宇宙根本不存在呢?倘若什麼都沒有呢?這下好了。那晚我完全睡不著了。

這些都是古典問題,背後還潛藏了一種堅定信念,認為宇宙的存在必然存有某種解釋。萊布尼茲在1697年一篇為〈論萬物之最終根源〉(“On the Ultimate Origin of Things”)的論文裡便曾論稱,存有任何事物這本身,就該讓我們感到有點驚訝。還記得萊布尼茲就是充足理由律以及最佳世界律(Principle of the Best)的倡言人吧,而且他還協同發明了微積分。畢竟,無物狀態比歷來存在過的任何事物都更單純:無物只有一種,有物則具有許多類別。更晚近以來,英國哲學家德瑞克.帕菲特(Derek Parfit)也附和表示:「有任何東西存在,似乎都該令人感到詫異。」

然而,不會因為問題很常見,就代表那是該提出的正確問題。哥倫比亞大學一位深受敬重,並且以智慧諺語著稱的哲學教授悉德尼.摩根貝沙(Sidney Morgenbesser)就曾被人問起:「為什麼有東西,而不是沒東西?」

「就算完全沒有任何東西,」摩根貝沙立刻回答,「你還是會抱怨。」

除了憂心和智慧妙語之外,我們眼前有兩道有趣的問題,表面上看來雷同,箇中卻有重大差異。

  1. 宇宙有沒有可能就是存在?我們是否起碼可以想像出某些合理情節,來說明宇宙就是完全自力存在的。或者我們是否有必要想像宇宙之外存有某些東西,才能說明它的存在?
  2. 宇宙存在的最佳解釋為何?假使我們必須動用宇宙之外的某些東西才能說明它的存在,那麼那會是什麼?是否完全不動用其他任何東西比較好或是比較單純?

依循亞里斯多德的學說,宇宙存在之實,經常被當成支持上帝存在的引證。宇宙是獨特且偶然出現的,因此論據會說,大有可能出現不一樣的結果,所以肯定有某種東西能解釋宇宙,接著有某種東西能解釋那種東西,如此形成連鎖推理。為了避免鑽入無窮迴歸的兔子洞,我們必須動用一個必要的存有——必然存在且不可能有其他結果,也毋須解釋的存在——那個存在就是上帝。

涉及宇宙時,詩性自然主義人士不喜歡談論必要性,而是喜歡把所有選項攤在桌面,接著設法釐清我們對個別選項各應具怎樣的信任度。說不定有個終極解釋;說不定有個無窮連鎖解釋;說不定根本沒有最後的解釋。現代物理學和宇宙學的進展,已傳達出一個相當明確的信息,那就是:宇宙不靠任何外力幫忙就能存在,這是毫無疑義的。至於宇宙為什麼會按照特定的現狀存在,而非其他方式,這點就值得探討了。


我們從比較簡明的科學問題入手:宇宙可不可能完全自力存在,它需不需要某種東西來促成它存在?

伽利略曾教導我們,現代物理學的基礎特徵之一是物體能運動,也傾向運動,而且毋須任何外因或驅動者就能運動。粗略來講,宇宙也有相同現象。該問的科學問題並不是「宇宙的起因為何?」或是「促使宇宙運作的起因為何?」我們想知道的是「宇宙的存在和無破缺的自然律是否相容,還是我們必須檢視定律之外的東西,才能善加說明?」

由於我們並不知道自然的最終定律為何,這道問題也因此變得更複雜。讓我們考量一項免不了要和宇宙為什麼存在牽扯上關係的議題:宇宙是否永恆存在直到今日,還是它是在某特定時刻——推測就是在大霹靂時——才出現的?

沒人知道。假定我們就是皮耶-西蒙.拉普拉斯,他相信古典牛頓物理學,譏笑上帝干預自然運作的想法,那麼答案就很簡單:宇宙永遠存在。如此一來,空間和時間是固定且絕對的;而在太空中四處移動的原料發生了什麼事,並不真的重要。時間從無窮過去延伸到無窮未來。當然了,你總是可以考量其他理論,但是根據未經修改的牛頓物理學,宇宙是沒有開端的。

接著在1915年愛因斯坦和他的廣義相對論上場,空間和時間納入到一個四維度時空,而時空也不是絕對的——它是動態的,會因應物質和能量而伸展、扭轉。不久之後,我們又得知宇宙正逐漸擴張,從而促成了過去有大霹靂奇異點的預測。依循古典廣義相對論,大霹靂是宇宙史上的第一個瞬間。它是時間的起點。

接著在1920年代,我們偶然發現了量子力學。量子力學中的「宇宙狀態」並不單純只是時空和物質的一種特定組態——量子態是許多不同古典可能性的疊加。這徹底改變了遊戲規則;在古典相對論中,大霹靂是時空的開端;然而在量子廣義相對論中——不論那指的是什麼,因為目前還沒有人完整擬出那種理論的公式表述——我們不知道宇宙有沒有開端。

這裡有兩種可能性:一是宇宙永恆存在,另一個是宇宙有個起點。這是經證實透過薛丁格量子力學方程式,最後得出的兩類非常不同的解,分別對應兩類不同的宇宙。

一種可能性是,時間是基本的。當時間流逝,宇宙也隨之改變。在那種情況下,薛丁格方程式是無可置疑的:時間是無窮的。倘若宇宙確實會演化,過去不斷演化,往後也將不斷演化。沒有開端,也沒有終止。可能曾有個時刻看來像是我們的大霹靂,不過那只是種暫時性階段,甚至在那起事件之前,還出現過更多的宇宙。

另一項可能性則是,時間並不真的是基本的,而是突現的。於是宇宙就可能有個開端。薛丁格方程式的某些解所描述的宇宙完全不演化;它們就是待在那裡,始終不變。

你或許會認為,那不過就是是種數學奇譚,和我們的現實世界無關。顯而易見,時間看來確實存在,而且它在我們所有人身旁不斷流逝。在古典世界中,你這樣想是對的。時間要嘛就會流逝,不然就不會;由於時間似乎在我們的世界流逝,無時間性宇宙的可能性,並不是非常具體貼切的觀點。

量子力學就不同了。它描述的宇宙是種種古典可能性的疊加態。這就像我們取一個古典世界的不同可能方式,把它們堆疊起來,產生出一個量子世界。想像我們取世界的一組可能狀態;普通古典宇宙的一群組態,不過各出自不同的時間片刻。12:00時的整個宇宙、12:01時的整個宇宙、12:02時的整個宇宙,並依此類推——不過各片刻相互的間距比一分鐘間隔更貼近得多。取這些組態並將它們重疊擺放,產生出一個量子宇宙。

那就是不隨時間演化的宇宙——量子態本身就是現狀,始終不變,永恆持續。不過那種狀態的任意部分,看來都像演化宇宙的一個時間片刻。量子疊加的所有元素,看起來就像個古典宇宙,它來自某處,也朝某處而去。倘若那個宇宙裡有人,在疊加的所有部分,他們都會認為時間逐漸流逝,正如我們的想法一般。那就是時間能在量子力學中突現的道理。量子力學讓我們能夠考慮基本上無時間性的宇宙,不過在那裡時間在一種粗粒化的描述層級出現。

倘若那是真的,那麼時間有個初始片刻,也不會有任何問題。反正「時間」這個整體構想,不過就是個近似理念。

這不是我編造的——這類情節正是物理學家霍金和詹姆斯.哈妥(James Hartle)在1980年代早期構思的課題。回顧那時期,兩人曾協助為「量子宇宙學」主題開疆闢土。他們顯示出該如何建構出一種量子態的宇宙,在其中時間並不是真的很基本,而且那裡的大霹靂代表了我們所知的時間開端。後來霍金更寫出《時間簡史》(A Brief History of Time)一書,成為現代最著名的科學家。


宇宙有個開端的理念——不論時間是基本的或是突現的——都讓人聯想到,肯定有某種事物促使它生成,而那事物通常被認為是上帝。這種直覺被記錄在支持上帝存在的宇宙論論證(cosmological argument)中,而這種想法至少可以上溯至柏拉圖和亞里斯多德。近年來,這種理念一直受到神學家威廉.克雷格(William Lane Craig)的擁戴,並放入一個三段推論中:

  1. 凡開始存在者皆有起因。
  2. 宇宙開始存在。
  3. 所以宇宙有起因。

就如我們前面所見,本論據的第二項前提有可能正確,也可能不正確,我們完全不知道。因為我們當前的科學認識,還無法勝任這項工作。第一項前提並不成立。思索宇宙的深層運作時,談論「起因」並不是正確用詞。我們必須問的不是宇宙有沒有起因,而是時間具有初始片刻,和自然律相不相容。

在我們的生命歷程中,不曾見過隨機物件突然冒出來。因此認為宇宙不該就這樣突然冒出來,這樣的想法是可以理解的,起碼可以給予高度的信任度。不過,在這看似無害的想法背後,卻潛藏了兩個非常具體的錯誤。

第一個錯誤是,說明宇宙有個開端和說明宇宙突然冒出來並不相同。後面這種表述(從日常觀點來看那很自然),大幅仰仗以某特定方式來思索時間。某種事物要能突然冒出來,意味著較早片刻它並不在那裡,到了較晚片刻才在那裡。不過當我們談論的對象是宇宙時,那個「較早」片刻是不存在的。沒有所謂的一個時間片刻沒有宇宙,接著另一個時間片刻有宇宙;所有時間片刻都必然與某個已存在的宇宙相關。問題在於,可不可能存有一個最早的片刻,在那之前沒有其他某個瞬間。這種問題光憑我們的直覺,完全沒有能力處理。

換個方式講;就算宇宙有個初始時間片刻,如此認為宇宙「出自虛無」依然是錯的。那項表述把一種想法擺進我們腦中,認為有種存在狀態叫做「虛無」,接著虛無便「轉換」成宇宙。然而那樣講是不對的;並沒有一種稱為「虛無」的存在狀態,而且在時間開始之前,也沒有所謂的「轉換」。唯一有的就是在那之前沒有其他片刻的時間片刻。

第二項錯誤是,斷言事物不會就這樣突然冒出,卻不去問為什麼在我們所經驗的世界不會發生這樣的事情?我們為什麼認為,儘管滿心期盼,眼前不會突然有一碗冰淇淋冒出來?答案是,那違反了物理定律,包括守恆定律在內。守恆定律指出,某些事物歷經歲月依然會保持恆定,好比動量、能量和電荷。我相當有信心,不會有一碗冰淇淋在我眼前現形,因為那違反能量守恆律。

依循這個思維,看來我們可以合理認定,宇宙不會就這樣突然存在,因為它裡面裝滿東西,而那些東西必然來自某處。轉譯成物理學的說法,就是:宇宙有能量,能量守恆——不能生成,也不能消滅。

這就引領我們體悟一項重要認識,循此可以合理認為,宇宙可能有個開端:據我們所知,描繪宇宙特性的所有守恆量(能量、動量、電荷)都恰好為零。

宇宙電荷為零並不令人感到奇怪。質子帶正電荷,電子帶相等但相反的負電荷,而且宇宙中的質子和電子數量似乎相等,累加起來總電荷原本就是零。不過,宣稱宇宙能量為零,那就完全是另一回事了。宇宙間顯然有許多事物帶有正能量,既然要讓整體具有零能量,肯定要有某種帶了負能量的東西——那是什麼?

答案是「重力」。廣義相對論中,有個公式能一次顯示整個宇宙的能量。而且結果發現,均質宇宙——物質在非常大尺度均勻分布於整個空間的宇宙——正好是零能量。物質和輻射等類「東西」的能量是正的,至於與重力場(時空曲率)相關的能量則是負的,而且其數量恰好能抵銷東西的正能量。

倘若宇宙有非零的某守恆量,無論是能量或電荷,則就不可能有某個最早的時間片刻——否則就會違反物理定律。在這種宇宙的初始片刻當中,能量或電荷在先前沒有任何存在的狀況下存在,這是違反規則的。不過就我們所知,我們的宇宙並非如此。看來,像我們這樣的宇宙要逕自開始存在,原則上並沒有什麼障礙。


就宇宙可不可能不借助任何外力就自力存在的問題,科學提出了一項毫不含糊的答案:當然可以。我們還不知道最後的物理定律,不過就定律運作的相關事項來看,並沒有任何跡象顯示宇宙需要借助任何外力才能存在。

然而就這樣的問題,科學給的答案不見得總是能讓所有人都感到滿意。「好吧,」他們或許會說,「我們瞭解或許有物理定律能描述某個獨立的宇宙,而且那宇宙毋須任何外力介入就能造就和維繫。但這也不能解釋,為什麼它實際存在。這點我們必須在科學之外來尋求答案。」

這種攻擊角度有時訴諸形上學原則,這些原則據稱比物理定律還更基礎,而且不能理性地否定。特別是前蘇格拉底哲學家巴門尼德(Parmenides),提出著名的格言:「無物從無而來」(ex nihilo, nihil fit)。羅馬詩人盧克萊修,比古代世界的所有人都更貼近現代自然主義,然而就連他都採信一種相仿的信念。依循這條思路,物理學家能否擬出自成一格的理論,來描述具初始時間片刻的宇宙並不重要;那樣的理論必定不完整,因為它們違反了這條寶貴的原則。

這或許是宇宙史上最糟糕的「乞題」(begging the question,譯注:把結論預設為真的不當論證方式)實例。我們問的是宇宙能不能無緣無故自力生成?答案是「不能,因為沒有任何事物無緣無故就能生成」。我們怎麼知道?理由並不是因為我們從未見過這種事情——宇宙和我們此生在宇宙裡體驗的形形色色事物是不同的;也不是因為我們沒辦法想像這種事,或者沒辦法建構出合理的模型來描述那種事——因為模型的想像和建構,都已經明顯發生了。

《史丹福哲學百科全書》(Stanford Encyclopedia of Philosophy)是一部由專業哲學家撰寫的線上資源,書中「Nothingness」(虛無狀態)詞條開宗明義便問,「為何有物而非無物?」緊接著回答,「嗯,為什麼不行呢?」那是個好答案。即便沒有任何外在因果影響或支持影響的助益,宇宙沒理由不能有個初始時間片刻,也沒有任何理由就不能永恆持續迄今。我們的工作一如既往,仍是詢問各競爭理論能否說明我們觀測到的實際宇宙累積的所得資訊,還有能解釋得多好。


換句話說,我們的工作是在偏離第一道問題:「宇宙能否就這樣存在?」(能!)並轉移到較難的第二道問題:「宇宙存在的最佳解釋為何?」

答案當然是「我們不知道」。理解時間可能是突現的,還有物理定律和具有初始時間片刻的宇宙完全相容,或可協助解釋宇宙是如何成形的,不過基本上仍然完全沒有說明我們究竟為什麼有這些特定的物理定律。為什麼是量子力學,而不是古典力學?為什麼我們似乎有三個空間維度和一個時間維度?以及為什麼我們發現了這處粒子和力的動物園?

這當中的某些部分,可以在較大的物理學情境脈絡下提出局部解答。舉例來說,現代重力理論設想出一些情節,當中的宇宙不同部分可以各具不等數量的時空維度;或許有某種動態機制,挑出四這個特別的數字。

不過這不算是個完整答案。首先,為什麼會有這樣的動態機制?物理學家有時會幻想發現的物理定律是獨一無二的——是唯一可能出現的定律。這或許是種不切實際的癡心妄想。不難想像物理定律會呈現種種不同的樣式;宇宙有可能是古典的,而不是量子的。宇宙或許像是棋盤般的柵格,隨著時間流逝,位元會以分立的不連續單元從「開」翻轉到「關」。現實的總和或許是單一定點,沒有空間或時間。說不定有某個宇宙全然沒有規律性,那裡沒有我們認定為「物理定律」的事項。

就這個「為什麼」的問題,說不定並沒有最終的答案。宇宙反正就如現狀,呈現這種特定樣式,這就是個鐵桿事實。一旦我們釐清宇宙如何在它的最全面層級上表現其舉止,接著就完全沒有更深的層級留待發現了。

有神論者認為,他們有比較好的答案,那就是「上帝存在」。宇宙之所以採取這般特定的方式存在,原因是上帝希望這樣。自然主義人士往往不覺得這令人信服;上帝為什麼存在?對於這問題,我們有答案,或者起碼試著回答,這點本章開頭便曾約略提及。根據這條推理路線,宇宙是偶然;它不必然存在,也可能呈現其他樣貌,所以它的存在需要一個解釋。然而,上帝是個必要的存在;祂的存在是沒有選擇餘地的,因此不必做進一步的解釋。

問題在於上帝並不是必要的存在,因為沒有所謂必要的存在這種東西。所有版本的現實都是可能的,其中有些具有我們能辨識為上帝的實體,另一些則沒有。我們不能為了仰賴某個先驗原則,而延遲了釐清我們棲身的宇宙是哪類這項困難任務的進展。

重點是必須對雙方公平。基於對「上帝」意味著什麼的傳統認識,再考量宇宙顯現的規律性,特別是顯現了可容人類存在的規律性之事實,這在有神論的情況似乎比在自然主義情況下具有更高的似然度。慈愛的神祇比鐵桿事實的宇宙,更有可能製造出宜居條件。倘若存在一個由物理定律支配的宇宙,就是我們手頭上唯一的片段資訊,那麼這個片段證據會讓我們朝有神論的方向傾斜。

當然了,我們擁有的證據不只那個片段。自然主義派人士發現,宇宙中的眾多層面和有神論並不契合,而且還大相逕庭。就有神論這邊的論據而言,倘若它能超越「上帝希望存在一處宜居宇宙,所以我們才在這裡」,而拓展到物理世界的特定層面,尤其是我們尚未發現的部分,那麼就應該會確鑿許多。假使你想宣稱,我們所處的這類宇宙能提供證據支持上帝存在,那麼你就必須相信你瞭解上帝的動機,還必須熟悉到足以判斷上帝想要創造出的是這類宇宙,而非其他類型的宇宙。倘若這是真的,接著就可以提出更多問題:上帝希望創造出多少個星系?上帝會用什麼成分來構成暗物質?

這些問題說不定有答案,要嘛從自然主義得到答案,不然就是從有神論來求得解答。否則我們就只能接受宇宙的現狀。我們不能要求宇宙提出它沒辦法為我們提出的解釋。

相關書摘 ►《詩性的宇宙》:如何用科學推理上帝是否存在?

書籍介紹

本文摘錄自《詩性的宇宙:一位物理學家尋找生命起源、宇宙與意義的旅程》,八旗文化出版

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作者:蕭恩・卡羅爾(Sean Carroll)
譯者:蔡承志

蕭恩.卡羅爾身為世界知名物理學家,提出了自達爾文以來科學典範轉移之後,幾乎沒有人可以迴避的重要問題。在本書中,他不單以卓絕智慧處理希格斯玻色子和額外維度的問題,還探討所有人類面臨的最深邃問題,面對世界的基底現實,我們該如何處理以下問題:我們身處何方?我們是誰?我們的生命是否有意義?

書中50個簡短篇章,充滿耐人尋味的歷史軼聞、旁白省思和嚴謹闡述。卡羅爾以耀眼奪目的獨特手法,鋪陳從達爾文和愛因斯坦,乃至於生命和意識,以及宇宙起源等一波波科學革命所依循的原理原則。本書是前所未見的科學世界觀著述,這部力作當能在往後歲月與史蒂芬.霍金、卡爾.薩根、丹尼爾.丹尼特(Daniel Dennett)以及愛德華.威爾森(E. O. Wilson)等名家鉅著比肩高據書架。

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在一個自然的宇宙裡,人類還很重要嗎?
──物理與哲學的對話《詩性的宇宙》新書講座

主講 ▎
高涌泉(台灣大學物理學系教授)
朱家安(沃草公民學院主編、哲學雞蛋糕腦闆)

時間 ▎11/29(三)pm 7:00-9:00
地點 ▎金石堂城中店3樓 金石生活學堂(台北市中正區重慶南路一段119號3F)

活動內容簡介 ▎
在一個沒有起因、也沒有目的的物理世界中,任何一個人的存在,真的有那麼重要嗎?人類的目標和意義,是否能融入科學的新世界觀?「詩性的自然主義」真能為我們拼出一個安身立命的信念星球嗎?

責任編輯:翁世航
核稿編輯:朱家儀


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