彭羅斯(Penrose)保形循環宇宙學的致命缺陷

戴榕菁

2020年諾貝爾物理獎獲得者之一的羅傑彭羅斯近些年來腦洞大開，改變了他之前的一些看法提出了一個保形循環宇宙學（Conformal cyclic cosmology），認為宇宙發展是一個從大爆炸開始膨脹直到沒有質量隻有光子的完全膨脹狀態，然後進入下一個大爆炸，再重新開始保形（conformal）膨脹直到全是光子，然後開始下一個大爆炸，再膨脹這樣一個無限循環的過程。

但是，彭羅斯的理論中卻隱含了一個致命的缺陷。

一百多年前，在光速不變以及時間的意義取決於光信號的傳播的前提下，愛因斯坦建立了狹義相對論，得出了光速是四維時空中的速度極限的結論，並與普朗克的光能公式E=hf相結合得出了著名的E=mc²的質能等效公式。

愛因斯坦的狹義相對論將時間與光子的運動從本質上連接在了一起；相應地，人們又得出了一個結論說，光子是不會經曆時間變化的，這是因為時間的意義本身就在於光子傳遞信息的速度而光子隨時隨地都在給自己瞬間傳遞信息因此不會經曆時間變化。這一說法也反映在了狹義相對論中有關時間的洛倫茲變換上：當速度v=光速c時，洛倫茲變換因子γ趨於無窮大，也就是說光子渡過的每一時刻在世界上不是一年兩年，而是無窮大，因此光子是不會渡過時間的。

光子不經曆時間變化這一理論成為了彭羅斯的CCC（即保形循環宇宙學）的一個核心成分，也正是他的這一理論的致命要害。

彭羅斯說，宇宙在暗能量的驅動下按照現在的這種加速膨脹發展下去，總有一天所有的質量（mass）都要被撕碎成為能量，然後這個宇宙就隻存在沒有質量的光子，而光子是無法感受時間的，這就意味著時間的終結，這與現有的大爆炸理論關於大爆炸之前是沒有時間的說法就一致了，那時，宇宙就要進入到下一個大爆炸的循環，而上一個宇宙中的電磁波能就會隨著大爆炸而進入到下一個宇宙中去。

這裏彭羅斯忽略了一點，那就是在愛因斯坦那個年代，當人們根據狹義相對論提出光子是不會經曆時間的這一論點時並不知道宇宙是膨脹的。後來當人們認識到宇宙是膨脹的之後，並沒有對這一理論進行應有的修正：光子其實一定會經曆時間的，隻不過狹義相對論沒有能表現出這一點來而已。這是因為宇宙的膨脹導致了所有在宇宙中運行光子的頻率都在下降，這就意味著宇宙的膨脹決定了光子內部是在發生著變化的，而與狹義相對論相比，變化本身才是時間最基本的意義！

狹義相對論之所以沒有能表現出光子所經曆的時間是因為狹義相對論是建立在不同的物體之間通過光子來傳遞信息的基礎之上的，而光子自身的變化並不需要在不同的物體之間進行，因此也就不會反映在狹義相對論上了。

所以說，用狹義相對論來詮釋時間本身是有缺陷的！這一點的哲學意義是明確的！遺憾的是，物理學界卻因為輕視哲學而長期沒有認識到這一缺陷，以至於相彭羅斯這樣的數學及物理天才都會將自己的理論建立在這樣一個具有明顯的既是物理的也是哲學的缺陷之上。

如我之前在“能量不守恒及經典薛定諤貓？”一文中指出的，普朗克的光能公式E=hf決定了宇宙中的光能將由於隨機的紅移和藍移隨時隨地發生著變化；進一步地，宇宙整體的膨脹使得宇宙中的光能會由於不可逆轉的紅移而如物理學家們已經認識到的那樣地每時每刻都在大量地消失著。因此，即便當宇宙膨脹將所有的質量（mass）都如彭羅斯所說的那樣撕裂成能量而以光子的形式存在時，時間仍然不會象彭羅斯所認為的那樣消失。而所有的光子的能量將會隨著宇宙膨脹繼續下降，所有的可見光將變成紅外線，紅外線將變成無線電，最後宇宙中所有的能量會徹底消失。在這過程中能量是完全不守恒的，而是向著單一的方向消失，最後的宇宙將成為完全的無能量的宇宙，那時時間才真正地終止。

當然，這過程中還有一種能量不但沒有消失，而且是不斷增大，那就是所謂的暗能量。但是，承認暗能量本身也會對彭羅斯的時間終止說構成威脅：你如何證明暗能量不會經曆時間？宇宙膨脹本身就是一種變化，而時間的真正哲學意義就是變化！與其它任何一種定義相比，變化才是時間的最根本的意義。。。。。。