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《T恤上的宇宙》萬有理論的追尋之美

EverDark
・2012/04/05 ・1958字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

『有人問我:「你是不是在尋找物理的最終理論?」不!我不是。我只想對世界有更多的了解,如果最後出現了一個能解釋一切的理論,就讓它來吧,這是個值得去發現的好東西。』

——費曼

『我們對事實毫無所知,對真理只有些許認識。』

——德謨克利特

Uploaded from the Photobucket Android App

《T恤上的宇宙:尋找宇宙萬物的終極理論》是《探索時間之謎》的作者丹.佛克於04年出版的科普作品,主題是追蹤物理學家追求「萬有理論」的歷史脈絡。類似內容的科普書族繁不及備載,我的書櫃上一眼望去就有不少本,雖然它們在談的不外乎就是那些了,從古典牛頓到二十世紀兩大支柱——相對論與量子力學——乃至於晚近的超弦理論,可每一本都有自己的魅力,方才令人浸淫其中。

比方說加來道雄的《穿梭超時空》從科學家探索額外維度以解決理論統合的歷史脈絡出發,文中大量有趣的類比故事充滿豐富活力;柯爾的《物理與頭腦相遇的地方》從比較人文的觀點漫談科學的進程、科學的態度、科學的審美問題;王寶貫的《洞察》除了內容同樣富有人文意象之外,也補足了西方作者通常對早期東方科學史料的缺漏;霍金《大設計》以滿溢學者霸氣的風範直言不諱地傳遞自己對世界真實的科學覺察……

這些書的內容如果抽離作者在背後的創作意象,事實上在談的都是相同的東西。或許他們會從希臘先哲講起,德謨克利特首先提出了物質乃不可無限細割的「原子」構成;或許他們從天文學的宗教尷尬說起,自托勒密、哥白尼、伽利略乃至於克普勒,地球在人們心中的地位不斷變換,真理愈見分明;又或許,他們直接從牛頓的古典物理學世界開始,漫談他那可說是承襲自笛卡兒機械世界觀的三大定律……然後無可避免地,他們會談傳奇性的愛因斯坦與他的相對論,談馬克士威方程式統一電磁,以及量子力學——波粒二象、薛丁格的貓、和多重世界詮釋——然後是萬有理論,一個企圖整合四大已知作用力的究極物理學說。

我很喜歡看這類的書。因為這些作者看似講述著相似的篇章,事實上讀來卻像是一個一個來自不同世界的故事。倒不是說他們不可能重複,但科學是人的科學,帶有人的色彩,與美感。不同的人看待科學,會有不同的感觸。這就是科學的審美吧!我喜歡探究這些科普作家審視科學的態度與思維。

回到本篇的主角《T恤上的宇宙》。這本書很通俗,鮮少闡述複雜觀念,比起《探索時間之謎》而言篇幅明顯比較精煉,閱讀的負擔較低。佛克的主要脈絡就是「統合」,如果我們要把能夠描述整個宇宙物理秩序的公式印在一件T恤上,那會是什麼樣的公式呢?

E=MC^2?

不,就連最初寫下這它愛因斯坦都不會同意吧!因為那是來自狹義相對論的公式,雖然將質能互換的驚人科學事實展露無遺,但離許多理論物理學家「大一統理論」的夢想還差得很遠哩。

那麼馬克士威方程式呢?他將電與磁統合在一起了,但這還不夠啊!我們的世界存在四種基本作用力:弱核力、強核力、電磁力、與重力。量子色動力學呢?還是不夠。電弱理論?不夠。標準模型?不夠。目前有望將量子重力也統合其中的其中一個理論,就是屬於超弦理論的M理論,同時也是史蒂芬.霍金奉為圭臬的理論。

然而,還是有物理學家認為弦論「只是美麗的數學,還沒有成為一門物理學。」因為它描述的是超高能環境下的粒子作用,我們當今最好的粒子對撞機也製造不出這種能量;我們也還沒能在實驗環境裡發現超對稱的證據;而且更重要的是,弦論所描述的事物離我們所感受到的現實又更遠了——

十一個維度?
它們在哪?

然而,究竟什麼是真實呢?霍金認為所謂的真實是我們人的感知所賦予的特性,只要理論模型能夠適切描述眼前的世界,那這模型也就是真實了。

到最後,我們發現這樣的一件T恤還沒辦法做出來!
當然,因為萬有理論尚未現出全形。
霍金在其最新的科普著作中倒是表明了態度,認為或許我們已經無法將作用力進一步簡統合,世界就是這個模樣!接受它!費曼也認為統合並非必要(或者可能),只是如果真有這麼一回事,那就太美妙了。

為何那些理論物理學家如此想要找到萬有理論?
用佛克的說法,這或許其實來自一種宗教式的情懷:我們想要解釋世界。世界從何而來?生命的起源是什麼?暗物質到底怎麼一回事?宇宙最後的命運為何?

科學家其實也在追求他們的神。
那是一種堅韌的信念。
求真的信念。

或許也正是讓科學之所以如此美麗的信念。

老樣子,
最後簡附本書主要目次如下:

引言
第一章 光與影 希臘世界與科學的開始
第二章 新視野 哥白尼的革命
第三章 天體與地球 伽利略,牛頓,與現代科學的誕生
第四章 真知灼見的閃光 電、磁與光
第五章 相對論,空間與時間 愛因斯坦的革命
第六章 量子理論與現代物理 事情變得更不可思議了
第七章 把尾端綁緊 弦論會是救贖嗎?
第八章 意義何在? 科學、上帝與了解的極限
第九章 終曲

 

 

*本文原文發表於Alienatio.

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EverDark
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《鋼之鍊金術師》── 真理是如何鍊成的?
好青年荼毒室
・2017/04/04 ・4002字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 497 ・六年級

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文/白水

哲學是如何鍊成的? 

仁者見仁,智者見智,什麼人總看出什麼東西來。有人看《鋼之鍊金術師》看出了科學,又有人看出了神學,而我卻看出了哲學。

人類到底是什麼?究竟何謂真理?還有世界和事物又應怎樣理解?這些傳統的哲學課題都在故事中重覆又重覆。鍊金術可以鍊金,但又豈止於鍊金?鍊金可以同時鍊出哲學來,那到底哲學是如何鍊成?

《鋼之鍊金術師》中的真理之門。圖/鋼之鍊金術師動畫截圖

鍊金術豈止鍊金

到底什麼是鍊金術?它可以說是一種理解世界的方式。

主角愛德華.艾力克就曾經說過,鍊金術其實是一種科學,要把握事物的原理,並且要探索世間的真理,當中最基本的原理就是「理解」、「分解」和「再構築」。雖然在故事中,鍊金術的三個原理很多時是用於構造物質之上,把握了事物的構成部分之後,將之分解然後再構築其他事物。但你會發現,這三個基本的原理其實亦相通於哲學反省事物的法門。

鍊金術的原理就是「理解」、「分解」和「再構築」。圖/鋼之鍊金術師漫畫截圖

在故事中,焰之上校羅伊.馬斯坦古曾幾何時相信鍊金術是為了人類的福祉而服務。這可說是一種對世界的初步理解,就好像我們都曾經都擁有過很多未經反省的初步信念一樣。愛國是天經地義的、同性戀必然是錯、人往上流無可厚非。這些想法不必然錯,只不過未經反省,所以亦未必經得考驗,可能遇上幾番質問就會受到懷疑。

就好像上校後來就發現原來自己作為鍊金術師,其實不過是活人兵器。鍊金術並不是真的用來為人類帶來幸福,而只是被當成武器為人類帶來災難。被稱為戰爭英雄就是對他最大的諷刺。羅伊.馬斯坦古心目中的戰爭英雄理應拯救世人,可是他卻是因為瞬間燒死大量敵人而成了戰爭英雄。英雄的定義原來不過是殺人兵器,他手中的火焰彷彿是對自身的嘲笑。火焰不只燒死了敵人,也燒光了他天真的想法。

圖/官方宣傳圖。

分解可以是分析,將之前的想法拆件,分析思考對象的定義、構成、本質或是結構。分解亦可以是否定,因為分析之後你可能就會發現之前的想法是如何的錯,就好像上校對鍊金術或者英雄的定義是如何膚淺,那就會推翻先前既有的想法。

如果思考只得否定,那就會帶來無盡的虛無,因為否定之後什麼就都不剩。但如果否定不是純粹的否定,而是可以重新鍊成,那思考的運動就會向前邁進一步。

上校後來就明白,如果自己沒有權力,那他就只能身不由己地被當權者利用他的能力,如此鍊金術只可以是一種武器。但如果他掌權便可將自己的能力用在好的地方,那鍊金術就可以是救世良器。所以鍊金術其實沒有一定的目的,只視乎權力怎樣界定它。這就是上校由最原初的想法,再經過分析否定,再構築出的答案,思考正是如此。

兩種真理觀:

一、父親大人與真理

如果鍊金術最終想獲得的是世界的真理,那到底真理是什麼?也許我們會認為真理就是相當於整個世界的知識,而有關整個世界的知識乃恆常不變的。掌握真理,亦即是掌握了世界穩定的一切,從此無所欠缺。

故事中的父親大人就是這樣理解真理。父親大人原本是一個人造生命體。他能夠說話,能夠思考,可是卻沒有身體,只能委身於一個小瓶之中。後來他就利用大型人體鍊成陣,犧牲了很多生命而獲得了身體。可是他得一又想二,妄想再次透過大型人體鍊成陣把握真理,成為「完全」的存在,成為神。他的鍊成陣就是象徵了要把神拉到地上吞掉。陣中畫了一頭雙頭龍,而其上就是倒轉了上下寫成神的名字,意思是人神關係倒轉。

圖/鋼之鍊金術師漫畫截圖

可是人就是有限的存在,人造人也不例外。有限就是有所不行,受一定的限制。而人的限制可以見於原始的七原罪。人有強大的「慾望」,既想得此又想要彼,貪得無厭。我們又「傲慢」,自以為可以勝過一切。這一切都是人的限制,我們不得不如此,根本無所逃遁。

父親大人以為知道世上的一切等於突破所有限制。以往沒有肉身嗎?那只要知道怎樣擁有一副就可以了吧。從前不能凌空飛行?那就掌控飛行的能力吧。這看似再無限制,但其實不過是由從前的限制,跳到另一種限制。縱然之後父親大人懂得怎樣製造微型太陽,那還不過是一個小太陽,那可以超越真正的太陽嗎?這果真窮盡了世界的一切嗎?

當我們把世界理解成某個模樣,並且以為這就是世界的全象,其實我們是在為世界劃下界限,說世界是如此如此,與這般那般區分開來。但你又怎能夠說世界不過是你眼中所見?既然你可以為世界劃一個界限,那自然你也可以劃過另一種界限。你怎麼知道界限之外不會有另外一個世界?

父親大人曾說過:「給予和願望相對應的絕望就是所謂的真理。」這句話是他對別人講的,但其實也是對自己說的。父親大人在獲得肉身之後就把七種原罪抽出,製成獨立於他之外的人造人。可是諷刺的是,七種原罪根本從未離他而去。他一直帶有強慾,妄想成神;他又自高自大,企圖成為完全的存在。其實由頭到尾他都沒有逃離過限制,這就是他的絕望。

自以為全知,反容易畫地自限。圖/鋼之鍊金術師漫畫截圖

二、愛德華與真理

父親大人所走的路只會帶來絕望,主角愛德華所走的路就揭示了另一種可能。愛德華由始至終都希望為弟弟找回當年在人體鍊成失去的身體。他一直信奉等價交換的道理,相信要獲得什麼,就要付出相同價值的什麼。所以在旅程上他一直尋找強大的賢者之石,希望以它的力量換回弟弟的身體。在最後他們與父親大人激戰一役,弟弟以自己為代價,令愛德華重拾當年同樣在人體鍊成時失去的手臂,得以戰勝父親大人。愛德華為了救回弟弟,於是再次去到真理面前,向它討回弟弟。

問題就在於:到底怎樣的代價才能換回一個人呢?賢者之石由人命製成,也許運用它可能真的可以換回弟弟,但這只是其中一個答案。愛德華選擇了另一個答案。他身為鍊金術師放棄了鍊金術,選擇以它為代價贖回弟弟。而真理就恭喜愛德華,告訴他已經戰勝自己。這看起來十分吊詭。鍊金術目的是獲得真理,但要獲得真理卻要放棄鍊金術,這到底是什麼緣由?

主角愛德華自述身為普通人的感受。圖/鋼之鍊金術師漫畫截圖

愛德華自言:「我一開始便是個普通人啊。是一個被變成合成獸的小女孩也救不了的渺小人物。恃着自己看過真理的東西便過分的自信、不斷失敗……受盡擺佈啊。」當人擁有了一定的智慧就會自以為是,自以為擁有小小見識等於所有,誰不知這一孔的見解一方面既開啟了人類把握世界的大門,但同時亦封限了世界 ── 世界就是你眼中大門的那般廣大。假如能夠放下前見,反而能夠獲得更多。

如果真理就等於世界的一切知識,那真正的「一切」並不是指一成不變的理解,而是不斷越限的理解。人始終是人,人始終要受限制。

無限不可能是全無限制全無邊界 ── 人太渺少了,理解事物往往需要為不同事物劃界,如此才能區分你我彼此,世界的模樣才得以形成。無邊無界的世界根本無法想像。所以人的無限只能是在限制中不斷超越,不斷去理解事物、分解之後又再構築,由一個限制走向另一個更深更廣的限制,那你才可以令自己看到的世界越來越豐富和深刻。而這就需要你不再固步自封,不斷去思考世界的可能性。古希臘德爾斐(Delphi)神廟刻了三句著名的箴言,其中一句是「認識你自己(γνῶθι σεαυτόν)」,還有一句常常最被忘記的是「凡事勿過度(μηδεν αγαν)」。自傲自大會困於自身,認識自己的有限和渺小,反而走得更遠。

認識自己的有限和渺小,反而走得更遠。圖/鋼之鍊金術師漫畫截圖

鍊金術的世界不只得鍊金術,還有鍊丹術。以為鍊金術就是全部,那不過是一孔之見。愛德華就是不局限於有限的鍊金術,那才能戰勝真理。在故事的結局中,愛德華和弟弟就一個向東一個向西,到世界各地遊歷,要學習天下間的知識。世界如此廣闊,知識又豈會小於你的眼界?在有限中見無限,這才是真理。

一即全、全即一、我即你       

故事經常提到真理就是「一即全、全即一、我即你」。愛德華小時侯到一個荒島修練。極度飢餓下,他吃螞蟻果腹,由此明白到世間萬事萬物是一個循環。假如他沒有吃螞蟻,那他死後就會被螞蟻分解,而螞蟻又會被其他動物吃掉,萬事萬物互相滋養,所以在這個意義下,一即全、全即一、我即你。

圖/鋼之鍊金術師漫畫截圖

但這只是其中一種解讀。也許,有一個世界獨立於人的理解之外,但不要緊,有限的人只能從自己的理解去把握世界。在這意義下,我的一己見解等於我見到的世界,這是一即全,全又是一,我就是你,我這小小的一,眼中亦是全個世界,主體的我與作為對像的世界就是我即你。

故事中常出現一句話,就是:

不要着急,不要停止思考,不要放棄活下去的念頭。

一旦停止思考,鍊金術師就會死去。或者這就是真理最好的表現,停止思考停止探索,世界就會停頓,只有不斷理解,分解,再構築,世界才會新而又新,一與全就在思考中擴展。

圖/官方宣傳圖

  • 二千多年前,曾經有個叫蘇格拉底的人,因為荼毒青年而被判死,最終他把毒藥一飲而盡。好青年荼毒室中是一群對於哲學中毒已深的人,希望更多人開始領略、追問這世界的一切事物。在他們的帶領下,我們可能會發現我們習慣的一切不是這麼理所當然,從這一刻起接受好青年荼毒室的哲學荼毒吧!

本文轉載自好青年荼毒室(哲學部)鋼之鍊金術師 ── 真理是如何鍊成?

好青年荼毒室
29 篇文章 ・ 5 位粉絲
好青年荼毒室,一個哲學普及平台。定期發表各類型哲普文章,有深有淺,古今中外,無所不談。在這裏,一切都可以被質疑、反省和追問。目標是把一個個循規蹈矩的好青年帶進哲學的世界。網頁:corrupttheyouth.net;臉書:https://www.facebook.com/corrupttheyouth。

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為什麼我們的世界可以理解?-《世界是這樣運作的》
PanSci_96
・2015/07/19 ・2439字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

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安德烈.林德(Andrei Linde),史丹福大學物理系教授;永恆混沌暴脹之父。

「這個世界最不可理解之處,就是它竟然是可以理解的。」愛因斯坦這麼說過。尤金.維格納(Eugene Wigner)也指出類似的問題,他說數學不合理的有效性是「一個我們既不了解也不配擁有的美好禮物」。

為什麼我們生活在一個易於理解的宇宙中,且有些規則可以有效地預測我們的未來?

當然,常有一種回應是「就這樣啊」也就是上帝創造了宇宙,並使其足夠簡單便於我們理解。應該這麼輕易就放棄嗎?讓我們考慮其他幾個類似的問題。為什麼我們的宇宙如此之大?為什麼平行線不相交?為什麼宇宙的不同部分看起來如此相似?長期以來,這些問題似乎過於形而上而不被認真思考。然而現在暴脹宇宙為上述所有問題提供了一個可能的答案。

要了解這個議題,我們來看一下不可理解宇宙的案例,其中數學是無效的。假設宇宙處於所謂普朗克密度(Planck density)狀態: r~1094 g/ cm3 時,大於水密度的九十四次方。根據量子重力理論,這時空中的量子波動是如此大,所有的測量尺會以混亂且不可預知的方式快速彎曲、收縮、擴展,快到你量不出它們的距離,快到你來不及測到任何時鐘的時間。所有先前事件的紀錄都被消除,這樣就不可能記得、也不能記錄任何事情並預測未來。對生活在那裡的人(如果生命可以存在的話)來說,宇宙是難以理解的,數學定律也無法有效運用。

龐大密度的例子看起來有點極端,但其實並非如此。宇宙有三種基本類型:封閉型、開放型、平坦型。在炙熱的大霹靂中創造的典型封閉型宇宙,除非開始時有個巨大的規模,否則會在 10-43 秒時崩塌為普朗克密度狀態。在大爆炸創造的典型開放型宇宙則會增長太快,以至於不可能產生星系,而我們的身體(如果我們幸運出生)將被立刻撕裂。在上述的任何一種宇宙中,沒有人可以居住其中,更不用說去理解。我們可以在一個平坦型或幾乎平坦型的宇宙享受生命(就是我們現在做的),除非有某些特殊事情(暴脹,見下文)發生,然後在大爆炸的瞬間,以難以置信的 10-60 精確度,進行精細的初始條件微調。

萬有理論(Theory of Everything)的最熱門人選――弦理論的最新發展,顯示一個有更廣泛可能性但不可理解的宇宙。如果認為我們的宇宙是弦理論所描述的那樣,是否意味著我們能了解一切周遭的世界呢?考慮一個非常簡單的例子:水可以是液態、固態和氣態的。從化學上來看是同一物質,但是海豚只有被液態水環繞時,才能以自己的方式理解並活在這個宇宙當中。在這個例子中,我們只有三種選擇:液體,冰或蒸汽。

根據弦理論最新發展,環繞我們的世界大約有 10500 種(或以上)選擇。所有選擇都遵循同樣的基本理論。然而,每個選擇的宇宙卻像由不同的物理定律所支配;它們共同的根源則被隱藏起來。由於有太多不同的選擇,人們希望其中某些選擇能描述我們生存的宇宙。但多數選擇都會產生一個我們不能住、不能打造測量設備、不能記錄事件,也不能有效運用數學和物理來預測未來的宇宙。

當愛因斯坦和維格納嘗試理解為什麼我們的宇宙可以理解,而數學可以如此有效時,人們都假定這個宇宙是獨特且均勻,且物理定律沒有一處不同。這個假設稱作宇宙學原理。我們不知道為什麼宇宙無處不同,我們只覺得理所當然,認為愛因斯坦和魏格納所描述的問題應該能適用於整個宇宙。在此脈絡下,近期發展只會讓問題更加激化:如果一個典型的宇宙如我們所知的對生命充滿敵意,那我們能偶然活在一個生命可存在且能夠理解的宇宙,實在是幸運無比。看起來這的確像個奇蹟,就像「一個我們既不了解也不配擁有的美好禮物」。我們有辦法比依靠奇蹟再高明一點嗎?

在過去的三十年中,我們思考世界起源與世界整體結構的方式發生了深刻變化。首先是我們發現暴脹,早期宇宙指數型的快速擴張使得宇宙平坦,從而具備適於生活的潛力。此外,宇宙快速擴張使我們住的地方非常同質;因此我們為我們觀測到的宇宙均勻性找到了解釋。但是我們也發現,在非常非常大尺度(遠遠超出了約1010 光年)之下,因為空間爆炸性擴張所放大的量子效應,宇宙變得百分之百的不均勻。

在弦理論與暴脹宇宙學相結合的脈絡中,我們的世界與其說像個不斷擴大的對稱球體,更像是一個多重宇宙――指數成長的大泡泡的超大量集合。其中每個氣泡看起來都像一個宇宙,而現在我們所說的「宇宙」,是形容前面那個大集合中,巨大而局部均勻的各個小部分。在這源自弦理論之低能量物理的 10500 種不同定律中,每一種定律都在各自的宇宙中運作。

在這些宇宙中,有一些的量子波動是如此巨大,導致任何計算都不可能;在那裡數學是無效的,因為預測無法被記憶和使用。有一些宇宙的壽命太短;其他宇宙長壽但空蕩,它們的物理定律不允許任何實體的壽命長到足以學習物理和數學。

幸運的是,在眾多可能的多重宇宙中,有一些宇宙可能有我們所知的生命。但那必要的條件是,多重宇宙中我們所在的那部分,運行的物理定律要能形成穩定且長壽的結構,而讓計算得以進行,我們的生命才有可能存在。這意味著,要有能用來做長期預測的數學關係。人類的快速發展之所以能存在,只是因為在多重宇宙中我們生存的那一個地方,長期預測如此有用有效,才讓我們能在充滿敵意的環境中存活,並在與其他物種的競爭中獲勝。

總而言之(概括而論),暴脹的宇宙包含了無數個「宇宙」,有著各種可能的物理數學定律在其中運行。我們只能活在物理定律允許我們存在的宇宙,因為要存活,就要做出可靠的預測。換句話說,數學家和物理學家也只能活在可理解且數學法則有效的宇宙裡。

你可以不理會我上面寫的,就當做是胡亂猜測吧。但有趣的是,過去三十年來發展的新宇宙典範脈絡中,我們或許第一次能處理那困擾了20 世紀兩大科學家的那個最複雜而神秘的問題。

1 譯注:永恆混沌暴脹(eternal chaotic inflation)其中的「永恆暴脹理論」認為宇宙的暴脹會無止盡持續;而「混沌暴脹理論」認為暴脹所需的條件實際上非常普遍。

11667239_1192021237481355_761864226_n本文摘自《世界是這樣運作的:150位引領時代思潮的一流科學家與思想家,革新你對這世界的看法》,由夏日出版社出版。

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「愛的萬物論」:史蒂芬.霍金的愛情物理學
Zobot
・2014/12/11 ・2423字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

本來心理和腦袋都預備好,要接收交纏在愛情故事中的大量科學訊息,畢竟主角是一介大師,即使預告片看起來很平易近人也不能大意。果然正片開始不久我就被打敗了,不是因為招架不住邏輯推演式的對話,而是科宅的浪漫!原來在發展「萬有理論」之外,霍金也有一套愛情物理學。

The Theory of Everything

英文片名是「萬有理論」(The Theory of Everything),指一個可以解釋宇宙所有物理現象的理論,但中文版譯成「愛的萬物論」,可以想像浪漫成份多過科學成份。如果你被上個月同期上映的《星際效應》(Interstellar)那些天文名詞所驚嚇,現在正為觀賞電影做準備而研讀《新時間簡史》A Briefer History of Time)或《胡桃裡的宇宙》The Universe in a Nutshell),也許這次可以輕鬆點,若看完電影還有興趣,再翻翻珍(潔恩).霍金寫的《霍金-前妻回憶錄(上)(下)》Music to Move the Stars)也不賴。

宇宙間有四個最基本的作用力,分別是作用在天體的重力(廣義相對論),和作用在基本粒子之間的電磁力、強作用力、弱作用力(量子力學)。以目前的物理發展,科學家預期把廣義相對論與量子力學結合成一個理論(稱為量子重力論),就會是「萬有理論」。為什麼這樣認為呢?因為目前兩者適用的尺度不同,某些宇宙結構只能用其中一種理論解釋。科學家希望能化矛盾為互補,就可以描述宇宙中任何尺度的結構。

廣義相對論適用於描述大尺度宇宙結構;量子力學是則是從原子或更小尺度來描述物質,常用單位是普朗克時間(Planck time;10-43秒)、普朗克長度(在一普朗克時間裡行進的距離,約等於10-35公尺),單位是不連續的,例如描述電子或光子,可以用「一顆」,但是不能「半顆」。

電影中霍金太太比劃著豌豆和馬鈴薯說明的就是這件事情,物理學家在描述宇宙某些特別的情況時遇到麻煩了。黑洞或宇宙起始的時候,體積非常小,有明顯的粒子性,應使用量子理論來解釋,但同時密度非常大,會有非常強大的重力場(非常緊密且彎曲的時空),在量子的世界產生不能忽視的效應。

Hope is Everything

The-Theory-Of-Everything-Gallery-01
繞圈、旋轉、同心圓,「圓」是這部電影鮮明的意象,而圓心似乎代表著霍金的目標、霍金太太的盼望,還有最終物理界追求的答案:一個可以描述宇宙中一切事物的簡單方程式。

電影中霍金在黑板上畫個同心圓,夏瑪恩師一句 keep going 就想出來的研究題目,靈感來自當時牛津大學數學教授羅傑.潘洛斯的「奇點理論」。「奇點」是時空曲率無限大,相對論定律不成立的區域。這個理論指出,任何經過重力塌縮的物體,都會產生奇點,例如黑洞中必然有一個奇點。

霍金曾跟好友基普索恩(Kip Stephen Thorne,也就是《星際效應》的顧問)打賭,天鵝座X-1是不是黑洞,後來由觀測證據顯示裡面存在奇點;所以猜猜誰輸了?電影中霍金沒有撒謊,那本《閣樓》雜誌(Penthouse)真得不是他自己要的阿!

Life is Everything

身體病痛或物理界的打擊,都不曾動搖霍金找出「萬有理論」的決心,只有他自己才能推翻自己,而且還推上更加不可動搖的地位。

霍金注意到,熱力學定律與自己在1970年的黑洞研究成果有相似的地方,於是他開始往「熱力學定律主導黑洞定律」的方向思索,最後得到一個推翻過去的結論,有助於調合宇宙大尺度結構與小尺度結構,還讓他的好朋友激動到在酒吧打爆一包洋芋片。

這個結論是說,黑洞會有輻射現象(也稱為霍金輻射),發出輻射的同時,質量和能量跟著散失,那麼在黑洞縮小成原子核大小的過程中,黑洞的質量會越來越小,溫度會越來越高,黑洞邊界的重力場強度會越來越大,直到溫度足夠發生巨大爆炸而消失。可惜,這個現象還沒被天文學家觀測到。

Love is Everything

霍金的傑出成就,我想霍金太太也是重要推手。她用愛支撐起史蒂芬,只看到丈夫的精神與才華,而不是殘缺的身軀。當霍金的身體狀況必須靠呼吸器維生時,瞭解丈夫的霍金太太忍痛選擇了唯一的選擇:進行氣管造口手術(俗稱的「氣切」),這能避免氣流通過喉嚨的敏感部位,引發咳嗽和氣哽,讓史蒂芬能自行呼吸,但卻永遠失去聲音。不過如同霍金自己說的,只要活著就有希望。

順道一提,電影中那台操著美國口音的語音合成器,是霍金換第二台電腦後才安裝上去的,在那之前,其他人必須閱讀螢幕上的文字才能與霍金溝通。電腦安裝了結合字典和片語的程式,霍金可以瀏覽螢幕上的字列,從中點選想用的單字,單字會在螢幕下方排成句子。

另外幫助霍金說話、寫書,只要click就能操作的神奇控制器,前身其實是一組貼在頭上用來測量快速眼動的電極,後來被改裝成眼動控制器。那因為霍金覺得電極貼在太陽穴上很不舒服,最後又由他的學生把它改成手動控制器。

「看看我們幹的好事」(You see what we made)

當然是為了避免透露劇情才故意翻譯成這樣。這是劇中霍金的最後一句對白,也是我最喜歡的一句。配合電影畫面,好似將霍金的青春人生比喻為一個擴張中的宇宙,一切演變都因為愛情而戲劇化。最後會明白,那一眼,就是宇宙的起源。
4月10日新聞43
根據LiveScience的報導,霍金本人看完電影後說:「有幾次我還以為那是我自己」,還說這部片讓他有機會回顧自己的人生。接著霍金對他人生中最珍視的親友們寫下了這段感人的話:「因為我的研究工作,所以能夠優先對宇宙如何運作有些瞭解,但如果沒有我愛的人在那裡,它只不過是一個空蕩蕩的宇宙。」

是否已拜倒在霍金的輪椅之下?霍金在今年10月也加入了Facebook,他的第一篇推文寫道「我總是思考著宇宙如何存在。時間與空間可能永遠是個謎,但這不阻止我去探尋……」,快來加他好友吧!

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Zobot
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PanSci 實習編輯 | 主修大氣科學。喜歡弄文字、玩音樂。傾向自然,不管是拿來讀的那種,渾身散發出來的那種,還是可以去野餐的那種。