走入影劇中做自己的物理學家：霍金為何能吸引眾人目光？──《時空旅行的夢想家：史蒂芬．霍金》

時空旅人存在嗎？霍金的未來派對

回到過去不只是科幻迷的夢想，每個人或多或少，都有一兩件想要改變或挽回的事。可惜的是，我們在空間中可以自由移動，甚至走到馬路對面再走回來，回到起點。（當然，也有人走個斑馬線就到了異世界）然而在時間軸上，我們卻不斷地向前進，不能倒頭。這是為什麼呢？

物理大師史蒂芬．霍金，對時間的研究可說是不遺餘力，他也透過著名的《時間簡史》、《大設計》等著作，向我們闡述宇宙與時空的奧妙。霍金是位時空旅行的夢想家，為了驗證世界上是否真的有時空旅人，他甚至曾經做了一個有趣的實驗。

2009 年 6 月 28 日中午 12 點，霍金認真地在劍橋大學舉辦一場盛大派對，桌上擺了美食與香檳，一旁的柱子上還綁了三色氣球。霍金仔細地準備好公開邀請函，上面寫著「誠摯地邀請您參加時空旅行者派對」，附上時間、地點甚至是準確的經緯度，希望時空旅人沒有迷路的藉口。

邀請函對外公開時間是派對結束「之後」，他確保這個訊息可以流傳數百年，並希望有時空旅人能看到邀請函，回到過去參加這個派對。可惜的是，無人響應、無人到場。霍金認為這證明了他的推論——時間旅人不存在。當然，如果當時有時空旅人跳出來打臉他，他也會感到非常開心。還是你認為，這只是因為時空管理局下明令，禁止未來人透露各種訊息給過去的人類，對於結果其實不需要感到意外呢？

為何我們不能讓時間倒轉？霍金的三支箭矢

在研究時空旅行之前，我們先來了解，為什麼我們總無法倒轉時間。

對於時間的流向，霍金提出了「三支箭矢」的構想，這不是安倍晉三的經濟學箭矢，而是時間箭矢。這三支時間箭矢，分別為心理學箭矢、熱力學箭矢、和宇宙箭矢。

心理學箭矢，就是我們生物感受到時間的流向。熱力學箭矢，則是熱力學中「熵」越來越大的方向，也是世上一切現象運行的方向。

所謂「熵」，是我們用來評估一個狀態的混亂程度的物理量。熵越大越混亂；例如，髒亂房間的熵比整齊的房間還大、摔成碎片的杯子熵比完整的時候還要大。根據熱力學第二定律，世間一切現象都會朝著熵變大的方向發展：杯子一定會摔碎、裡面的水一定會灑滿一地。但是，我不是可以把髒亂的房間整理整齊嗎？沒錯，但熱力學告訴你，在你整理房間的時候，你可能為世界增加了 20 點的秩序量，但你身體因為運動放出的熱能，可能會為整個宇宙增加 100 點的混亂量，整體的熵還是增加的。

至於最後一根箭，宇宙箭矢，則是宇宙膨脹的方向。宇宙在膨脹過程中，粒子會越加分散，熵也會持續增加，因此宇宙箭矢會與熱力學箭矢同方向。

回到體感時間，既然熱力學箭矢代表世界運行的方向，如果熱力學箭矢與心理學箭矢的方向相同，那我們就會看到杯子掉到地上摔破、水灑出來。但如果反過來，熱力學箭矢跟心理學箭矢反向飛行，那我們就能看到天能中的逆熵，我們會看到杯子從碎片修復、回到桌上，水也跟著回到杯子之中。

既然如此，那我們要怎麼讓這兩支箭矢反向飛行呢？遺憾的是，因為我們的這具肉身限制，要感受環境、需要外界訊號刺激，並且轉為神經訊號到大腦；要思考，神經細胞必須透過呼吸作用，取得能量來持續運作。我們的一舉一動，建立在生物與化學反應上，也因此必須遵守熱力學第二定律。如果不遵守，我們甚至無法獲得能量，生命根本無法維持。這種現象也被稱為「弱人擇原理」。

為何心理學箭矢和熱力學箭矢必須同向？因為不同向，我們就無法存在，也就無法思考這個問題。

超光速可以連接過去？

在 DC 宇宙的影視作品中，能穿越時間的閃電俠肯定是經典代表。在 DC 宇宙，透過神速力的加持，閃電俠可以突破光速，回到過去。這會發生什麼事情呢？

根據相對論，在速度接近光速時，時間會變為相對，對於不同速度的觀察者來說，也會產生歧異。舉例來說，如果閃電俠在路上與粉絲打招呼，卻被蝙蝠俠催著去開會。無奈的他，只好與粉絲說掰掰，接著以超光速前往蝙蝠俠基地，準時趕上會議。如果粉絲這時候用望遠鏡看著這一切，他們會看到，閃電俠先跟自己說了掰掰，接著才趕上遠處的會議，而且以距離計算，閃電俠肯定超越了光速。

然而神奇的事來了，如果此時蝙蝠俠等得不耐煩，突然想回高譚市與小丑敘敘舊，他拿出了從沒有任何人知道的特製蝙蝠車，一台可以以接近光速移動的蝙蝠車，從基地離開。就在這個時候，從他的角度觀察閃電俠，他會發現，閃電俠先到達了會議室，接著才發生遠處閃電俠與粉絲說掰掰的場面。蝙蝠俠和粉絲們看到的情景大不相同，不同觀察者的時間產生歧異了。

甚至對於獲得高速移動能力的蝙蝠俠來說，如果他的蝙蝠車也能以超光速移動而且速度夠快，他甚至能在閃電俠到達會議室前，就先跑去正在與粉絲說掰掰的閃電俠旁邊，告訴他開會的會議結論，你不用再跑一趟了。

看來透過超光速回到過去，還真的是有可能的。但別忘了相對論施加的限制，要將物體越加速到接近光速，所需要的能量就越大。如果要將有質量的物體加速到等於光速，就需要無限大的能量。或許閃電俠的神速力確實能辦到，當然這也就代表，閃電俠或許是DC宇宙中無敵的存在了。

顯然，沒有神速力，也不是超級英雄的我們，把自身加速到超光速來時間旅行，顯然不是一個好選項。但如果我們能扭曲時空、建立捷徑，達成超光速呢？

就算兩地相隔數公里，如果我們能將時空對折，並在中間打一個洞，創造出一個任意門，只要跨過一步就能跨越原本要走上半天的路程，不就超光速了嗎？事實上，不能超光速移動的我們，跨越時空的「蟲洞」，很有可能就是我們最後的選項。

蟲洞有辦法被製造嗎？

蟲洞的概念不只是存在於科幻小說的情節，1935 年，愛因斯坦與羅森發表一篇論文，指出根據廣義相對論的計算，在某些條件下，宇宙中可能出現連接不同時空區域的「蛀孔」，稱為愛因斯坦——羅森橋，也就是我們說的「蟲洞」。

正常來說，宇宙中的能量或有質量的物質，會在宇宙中產生如同球面的正時空曲率，產生引力。如果想要產生負時空曲率，將時空向內凹陷，創造出蟲洞，我們就需要創造出負能量或具有負質量的物質。

那麼要怎麼做出負能量或負質量的物質呢？

接下來我們進入到腦洞大開的環節：還記得我們在量子系列第五集，介紹薛丁格的貓時提到的不確定性原理嗎？根據這個理論我們可以預測，就算在空無一物的「真空」中，其實非常熱鬧。在真空中，會不斷出現正粒子與反粒子組成的虛粒子對，他們一起出現，又重新碰撞、互相湮滅，這個過程被稱為量子漲落。雖然兩種粒子會互相湮滅，但不論正、反粒子都是擁有正能量與正質量，在量子漲落的過程中，為了維持整體的能量穩定，某些地方出現正能量密度，某些地方就會出現負能量密度。以此架構延伸，我們便能在真空中設計兩塊金屬板，能透過卡西米爾效應，在兩塊金屬板中，創造出負能量的區域。而這個卡西米爾效應，也在 1996 年在實驗中被實際觀測到。

透過蟲洞時間旅行有可能嗎？

那麼通過蟲洞時間旅行是可能的嗎？根據後來的計算，愛因斯坦——羅森橋，也就是蟲洞的存在時間非常短，會在太空船通過之前，就塌縮成奇異點。而蟲洞的通道大小，也不足以讓任何粒子大小的物體穿過。

但霍金沒有將可能性說死，或許將來，會有技術可以撐開並維持蟲洞的存在，足以讓人類穿梭而行。或許時空旅行，將成為現實。除此之外，超弦理論也有一些說法證實蟲洞可能存在，但目前弦理論都還僅止在數學計算，還未能應用在實際現象中。

但你說，霍金不是已經透過時間旅人派對證實，沒有時空旅人了嗎？霍金解釋，根據時間悖論問題，我們看不到時空旅人，是非常正常的。至於為何無法修改過去，產生時間悖論，有可能是當過去已被「測量」，那宇宙就不能再被更改，又或是真的有某種有形或無形的時空管理局，在維持這個世界的安全呢？

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看到名人在婚姻感情上的波折，或是各種不堪的私事被公開在大眾目光下，我就會想到牛頓、愛因斯坦跟霍金。

他們的共通點：

• 都是在物理領域貢獻超卓的科學家。
• 都在銀河飛龍 (Star Trek: The Next Generation) 企業號的虛擬世界裡跟機器人百科 (Data) 一起打過牌。

以及

• 從現在的標準來看，他們都是渣男。

母胎單身，但對同儕有夠渣的牛頓

從最輕微的開始好了。牛頓他終身未婚，所以渣的對象不是女性戀人，而是其他男性科學家，例如牛頓為了與萊布尼茲爭奪微積分學到底由誰發明、把當時的學界搞得烏煙瘴氣，還以英國皇家學會名義斥責萊布尼茲剽竊，到萊布尼茲死了才休兵。

牛頓討厭虎克，否認虎克對《自然哲學的數學原理》的貢獻，在虎克死後接任皇家學會會長的牛頓，便下令移除了虎克所有肖像；牛頓也因為和佛蘭斯蒂德交惡，就把他所有的天文觀測數據從《原理》一書刪除……等等。

這些事蹟你可能聽過，想必與多數人小時候心目中那個被蘋果砸頭而頓悟的可愛形象差異很大。

至於愛因斯坦跟霍金，就更符合當代渣男定義了。

成就跟渣度，都是奇蹟級的愛因斯坦

愛因斯坦風流多情，一生中有紀錄的情人至少有十個，包括一位蘇聯的美女間諜。他的第一任妻子米列娃(Mileva Marić)的人生，更是被愛因斯坦搞得一團糟。

1902 年，米列娃懷孕，儘管米列娃的在學成績遠優於愛因斯坦，但為了帶小孩，米列娃還是選擇放棄科學生涯，於 1903 年與愛因斯坦結婚後，生下兩位男孩——漢斯與愛德華。

婚後才是噩夢的開始，愛因斯坦先是不跟米列娃與小孩同桌吃飯，最後甚至不跟米列娃說話！1914 年，米列娃受不了跟愛因斯坦的冷暴力，決定帶著孩子們離開柏林前往蘇黎世。

據說，愛因斯坦在米列娃離開的火車前，罕見地哭了出來，但根據愛因斯坦的傳記，他是為了孩子離開他而哭泣，不是為了米列娃。

米列娃走後，愛因斯坦更明目張膽地追求自己的表姊艾爾莎。1919 年，愛因斯坦與米列娃協議離婚，並承諾把諾貝爾獎的獎金當作贍養費（但他 1921 年才得獎）。

離婚後卻是另一個苦難的開始，小兒子愛德華診斷出精神障礙，需要長期看護。而原本愛因斯坦要給的諾貝爾獎獎金，被愛因斯坦拿去美國投資，正巧碰到美國 1920 年代的經濟大蕭條，愛因斯坦賠了一大筆，米列娃拿到的贍養費也少了許多。

米列娃直到死前都一個人照顧無法自理的小兒子愛德華，這渣度夠高了吧。

讓妻子身心俱疲，飽受折磨的霍金

跟愛因斯坦與牛頓相比，霍金在科學傳播上的貢獻、名氣，同樣是搖滾巨星等級。也因為如此，1990 年，霍金與她的妻子潔恩(Jane)分居這件事， 當時佔據了英國各大媒體頭條。

潔恩從一開始就知道霍金患有肌萎縮性脊髓側索硬化症，但她仍與霍金結為連理，並從 1965 年開始持續照顧著霍金，甚至為他擱置了自己的文學博士論文，只為打理好家中一切。

但她長期承受霍金的冷言冷語；霍金時常對她熱愛的文學表示不屑跟鄙夷，同時潔恩還要能滿足霍金各種任性。對我們來說，霍金的任性是熱愛生命、不被逆境打倒，但對妻子潔恩來說，丈夫的任性是麻煩跟惡整。更別提還有三個小孩都得靠潔恩照料。

隨著霍金在物理學上的成功，以及各大媒體的強力曝光，霍金面對自身殘疾的勇氣，與潔恩無私奉獻的精神逐被世人所知，成為英國家喻戶曉的「夫妻楷模」。1985 年，霍金患上嚴重肺炎，醫生建議拔管放棄治療，瓊恩堅持不放棄，最終霍金從鬼門關走了一遭，替這對楷模夫妻在大眾眼中增添一筆佳話。然而霍金在事後卻責怪潔恩為什麼要讓醫生為他氣切、害他失去聲音。

事情還沒結束，1995 年霍金正式與潔恩離婚，並幾乎零時差地與自己的看護伊蓮結婚。消息一出，英國民眾罵聲連連，覺得自己被欺騙了，那位勇敢面對自身的不完美，展現超人智慧的霍金，竟然是一位不知感恩的渣男，連照顧自己多年的妻子都輕易拋棄。

人品如科學，斷章取義恐導致錯誤結論

如果以現在的標準來看——特別從社群媒體評論家的角度，這三位超級科學家，特別是愛因斯坦跟霍金，大概很難撕下「渣男」標籤。兩人對另一半的情緒勒索、冷暴力、外遇出軌都沒少，但寫這篇不是要揭陳年瘡疤，也不是要逼大家在「莫因他人私事而埋沒英才」與「渣就是渣，成就無法掩蓋人格缺陷」兩個選項裡擇一（這不是公投）。而是覺得從絕世科學家的案例，可以學到三件事：

1. 其實，當我們以偉大男性科學家的故事來勉勵學子後進的時候，往往傳達片面的刻板印象：「努力不懈+天才縱橫=成就非凡」，這印象甚至是有害的。一來忽略環境跟時代的變化與積累，陷入「倖存者偏誤」，二來系統性忽略女性的貢獻。她們是妻子、愛人、共同研究者、情感支持者、家庭照顧者；如果沒有她們，偉大的成就非常可能不會落在這些男性科學家身上。把這些歷史留名的科學家當成天選之人，反而是不科學的，科學發展不是一個人的功勞，即使不是這幾位，這些創見遲個幾年仍會由其他的科學家提出。

2. 再者，各位應該明白，上面那些渣男行徑都是「刻意挑出來」的！在他們的感情生活中，也有甜蜜相愛、互相扶持的時刻。現在回頭來看這些案例，我們早已平心靜氣，更能找到其他的資料來客觀且完整述說整個故事，換位思考，但想像一下：若這些消息是透過當下的社群網站、八卦傳媒傳述，幾百萬人為了爭奪短暫的注意力，極端地去訕笑、憤怒、哀嘆，不拿捏力道地狂開戰場，當事人等肯定已經體無完膚、宣布退出科學圈。我不是要幫特定當事人說話，而是希望一起想想，有沒有更合乎比例原則的作法。

3. 最後，不管是哪個圈子的偶像，都得因為自己獲得的不成比例的名氣與報酬，負起相對應的責任與風險。作為有幸在社群媒體上獲得讀者觀眾信任的科學傳播者，泛科學有賴大家的愛護、承載著信任。雖然科學強調證據至上、有錯就改，但我們也自知偶有確認偏誤發作、過度推論、陷入盲點、審核不精的問題。懇請大家以強烈的好奇與健康的質疑，幫助我們走在正確的道路上。

#為了寫這篇跟 A 編回顧了好多科學家的情史
#乾脆另開一個渣科學或許更紅

參考資料：

• 艾薩克·牛頓- 维基百科，自由的百科全书
• 萬有引力背後的恩怨情仇——牛頓與虎克|- 科技大觀園
• Einstein secret love affairs out! | Latest News India – Hindustan Times
• Albert Einstein & Ethel Michanowski Affair, Joint Family Tree & History – FameChain
• Albert Einstein – Wikipedia
• The Forgotten Life of Einstein’s First Wife – Scientific American Blog Network
• The debated legacy of Einstein’s first wife
• The private lives of Albert Einstein 
• 【女生看劇】愛因斯坦原來是渣男！天才元配因錯愛一無所有
• 博客來-時空旅行的夢想家：史蒂芬‧霍金【2017年全新增訂版】
• 博客來-時空行者史蒂芬．霍金：從漸凍人到當代最偉大物理學家，他的工作、生活、愛情、友情，與思考演進的側寫

編按：本書為霍金留給世人的 10 個大哉問與見解，期盼讀者能藉由站在霍金這位巨人的肩膀上得到更多啟發與省思。本文為大哉問之五：黑洞裡面是什麼？

白矮星、中子星、類星體，都是恆星崩陷後的產物

對一顆正常的恆星而言，壽命可以有數十億年以上，在這段生命裡，絕大多數的歲月，它都是藉由把氫轉換為氦的核融合過程所產生的熱壓力，來對抗因自身質量所產生的重力。然而，氫燃料終有燃燒殆盡的一天。此後，恆星便會開始收縮。

在某些情況下，它能承受得住自身的重力崩陷，只是變成密度很大的一個星核，稱為白矮星。然而印裔美籍物理學家錢卓塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar, 1910-1995）在 1930 年證得，白矮星的最大質量約為太陽的一點四倍。蘇俄物理學家蘭道（Lev Landau, 1908-1968）也獨立計算出相似的數值，並把這個完全由中子組成的緻密星體，命名為中子星。

對於另外無數個質量大於白矮星或中子星的恆星，當它們在核燃料耗盡之後，命運將會如何呢？稍後以研發原子彈而著名的歐本海默（Robert Oppenheimer, 1904-1967）曾對此做了一番研究。1939 年，歐本海默與沃科夫（GeorgeVolkoff, 1914-2000）、史耐德（Hartland Snyder, 1913-1962）共同計算出：

這樣的大恆星，熱壓力將無法與自身的重力相抗衡。

再者，如果忽略這個熱壓力，一顆均勻球形對稱的星體將會收縮成一個密度無限大的點，稱為奇異點。

違反時空平坦假設的奇異點：時空曲面上的曲率無限大

然而，我們所有關於空間的理論，都是構築在「時空是平坦的」假設上，因此，這些理論都無法適用於奇異點上，因為奇異點在時空曲面上的曲率為無限大。事實上，奇異點標誌著空間與時間的終點。這就是愛因斯坦覺得非常反感的東西。

接著，第二次世界大戰干擾了後續的研究。大多數的科學家，包括歐本海默在內，都把注意力轉向核物理學，至於恆星崩陷的議題，則被大家拋諸腦後。一直到發現了類星體（quasar），科學界才又重新注意到這個問題。第一顆類星體 3C 273 是在 1963 年發現的，隨後天文學家又陸續發現許多顆類星體。

類星體是極度明亮的活躍星系核（位於星系中心的質量密集區域），輻射出來的電磁波功率非常巨大，但是由於距離地球非常遙遠，所以在可見光波段，看起來只是「類似」星狀的微弱光點。由於類星體的靜止質量並未大量減少，但釋放出來的能量卻遠大於質能轉換的結果，因此這些能量的來源不單只是核反應而已。唯一可能的解釋是，這些能量來自重力崩陷而釋放出來的重力能。

類星體的強電磁波，能量來自重力崩陷的重力能

恆星的重力崩陷，重新成為科學研究的焦點。當重力崩陷發生時，星體的重力會把周圍的所有物質向內聚集。很顯然，一顆均勻的球形恆星，最終會收縮成一個密度無限大的奇異點。但是，如果這顆恆星不是均勻的球形星體呢？由於物質的分布並不均勻，是否會讓崩陷的過程也不均勻，從而避開奇異點的生成呢？

潘若斯在1965 年提出一篇著名的論文，僅僅根據重力只有吸引力的這個事實，證明了即使恆星不是均勻球形的星體，崩陷的最終結果仍會是一個奇異點。

愛因斯坦方程在奇異點裡，因無法定義而失效了。也就是說，對於這個密度無限大的點，我們無法預測它的未來。這意味著，每當恆星發生崩陷時，就會有詭異而未知的事情發生。只要奇異點不是「裸露」的，換句話說，有個屏蔽（即事件視界）把它與外界區隔開來，那麼無論在奇異點上發生什麼事，便都與我們無關。於是，潘若斯提出了「宇宙審查猜想」（cosmic censorship conjecture）：

所有由恆星或其他星體因崩陷所形成的奇異點，總會有一個事件視界將它隱匿起來，因而任何人都無法觀測到黑洞內部。

黑洞是一個重力極強、以致光都無法脫離的區域。宇宙審查猜想幾乎可以斷定是正確的了，因為所有希望證偽的嘗試都失敗了。

黑洞無毛？無論丟甚麼進去，看起來都一模一樣

當惠勒於 1967 年提出「黑洞」這個詞時，它取代了原先的名詞「凍星」。惠勒新造的這個詞，強調了讓人感興趣的是恆星崩陷之後的殘餘物本身，而與它的形成過程無關。這個新名詞很快就流行了起來。

從外面，你無法知道黑洞內部是何模樣。無論你朝著它丟進什麼東西，或是它原本是什麼東西、它是如何形成的，黑洞看起都一模一樣。惠勒對於這種現象，有一句著名的描述：「黑洞沒有頭髮」（A black hole has no hair，也簡稱
「黑洞無毛」）。

本文摘自《霍金大見解：留給世人的十個大哉問與解答》，天下文化，2019 年 2 月出版。