2017年12月14日

書摘:《時空旅行的夢想家:史蒂芬‧霍金 全新增訂版》

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書名:《時空旅行的夢想家:史蒂芬‧霍金 全新增訂版》 
作者:吉蒂.弗格森(Kitty Ferguson) 
譯者:蔡承志 
出版日期:2017年12月
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第二章 我們的目標不外乎完整描述棲身的宇宙

我們在世界和宇宙間體驗的錯綜複雜,又變化萬千的所有事物,歸結到底有可能就是一種簡明至極的現象。這種想法並不新鮮,也不牽強。西元前六世紀,義大利南部哲人畢達哥拉斯和他的門人鑽研里拉琴弦之弦長和音高的關係,結果發現,在大自然紛雜現象背後,其實藏著模式、秩序和合理性。此後兩千五百年間,我們的祖先仍不斷發現,大自然並不像乍看之下那麼複雜難懂,而且就像畢達哥拉斯和門徒的發現,結果通常令人詫異又心生敬畏。 

假定你是個智慧超高的外星人,然而卻對我們的宇宙無絲毫經驗,心裡想著:有沒有一本完備的規則手冊,鑽研之後就能夠得知我們的宇宙究竟是何種相貌?假定真有某人交給你那樣一本規則手冊,那可不可能只是一本很薄的冊子? 

幾十年來,許多物理學家都認為,那種規則手冊並不冗長,內含一套相當簡明的原則,甚至還可能只含一條原則,從根本來規範我們的宇宙在過去、現在,甚至往後任何時刻發生的一切現象。霍金在一九八○年斷言,我們在二十世紀尾聲可掌握那本規則手冊。 

我家從前有一款博物館復刻版古代遊戲用的棋盤。考古學家在美索不達米亞烏爾城廢墟發掘時,挖出一件精緻的鑲嵌板,還附帶找到幾件細小雕刻品。那顯然是一款精巧的棋盤,卻沒有人知道玩法規則。生產那件復刻製品的廠商根據棋盤、棋子的設計,試行推出遊戲規則,不過也鼓勵購買者自行判斷、發現棋盤遊戲的玩法。 

你可以設想宇宙也就像那樣:一款宏偉、優雅又神祕的棋盤遊戲。規則當然有,但遊戲並不附規則手冊。然而,宇宙可不像從烏爾城出土的古物棋盤那般漂亮。沒錯,宇宙的年代很古老,不過遊戲仍在進行。我們以所知的一切(以及不明白的大半學識)如火如荼投入這場博奕。果真有統世理論,那麼我們和宇宙萬物都必定服從宇宙原理,就連嘗試找出原理為何之時也不例外。 

各位應該會料想,宇宙未刪節的規則,肯定能塞滿一棟宏偉的圖書館或一台超級電腦。這裡面應該有種種規則來規範星系如何形成和移動、人體如何運作和失效、人類如何交往,此外還另有規則來節制次原子粒子如何互動、水如何凍結、植物如何生長,還有狗如何吠叫。層層疊疊環環相扣的繁複規則,怎麼會有人認為這可以簡化成少數幾條原理? 

美國物理學家暨諾貝爾獎得主理查.費曼(Richard Feynman)舉一個實例,說明這種簡化歷程的演變方式。他指出,從前我們有一種東西叫做運動,還有一種東西叫做熱量,另有一種東西叫做聲音。「然而不久就發現,」費曼寫道:「在牛頓爵士提出運動定律之後,那些原本看似不同的事物,其實都成了同一事物的不同面向。舉例來說,聲音現象可以完全的以原子在空氣中的運動來解釋,所以我們就不用再把聲音看成是運動之外的事物。後來又發現,熱學現象也能透過運動定律輕易的被理解。這樣一來,龐雜的諸多物理理論就能被合併形成一套簡化的理論。」 



置身細小碎片的生命 
我們平常會想到的所有宇宙物質,例如你和我、空氣、冰、星體、氣體、微生物和本書,都是以號稱原子的微小基礎建材組成,至於原子則由更微小的物件(稱為粒子)和大量空無一物的空間所構成。 

最常見的物質粒子是電子、質子和中子,電子環繞著原子核,而原子核則是由質子和中子群聚形成。質子和中子都以更纖小的物質粒子組成,這種粒子稱為「夸克」。所有的物質粒子全都被歸於同一類粒子,稱為費米子,取這個名字是要紀念偉大的義大利物理學家恩里科.費米(Enrico Fermi)。費米子具有一組訊息系統,還彼此相互傳訊,所以它們有種種不同作用和變化方式。一群人或許能擁有一套內含四種服務的訊息系統:電話、傳真、電郵和「牛步郵政」,但不見得所有人都兼採這四種訊息服務,來收發訊息並相互影響。你可以設想,費米子訊息系統也具有四種這類訊息服務,稱為四種力。另外還有一類粒子負責為費米子(有時也為自己)傳遞這類訊息:傳訊者粒子,比較正式的名稱是玻色子(boson)。很顯然的,宇宙間的所有粒子是費米子或玻色子。 

重力是自然界四種基本作用力之一。重力把我們拉縛在地球上,它可以被設想成是由一種叫「重力子」(graviton)的玻色子所傳達的「訊息」,重力子負責在你的身體原子和地球原子間傳訊,趨使這些粒子向彼此拉近。重力是四大作用力當中最弱的一種,不過稍後我們就會得知,這種力的作用距離非常遼闊,影響宇宙間的一切事物。整個累加起來,重力就成為其他所有力的主宰。 

第二種力是電磁力,它是由一種叫做光子(photon)的玻色子所傳達的訊息,它會在原子核裡的質子間、質子和鄰近的電子間,以及電子和電子間往返傳訊。電磁力會讓電子環繞原子核運行。而從日常的經驗層次來看,光子則是以光、熱、無線電波、微波和其他波動的形態出現,全都稱為電磁輻射。電磁力的作用屬於長距作用力,而且比重力強得多,不過它只對帶有電荷的粒子產生作用。 

第三種傳訊服務叫強力,它負責把原子核整個束縛在一起。 

第四種傳訊服務叫弱力,會造成粒子的輻射,它在恆星中及早期宇宙中,都扮演著元素形成過程中的必要角色。 

重力、電磁力、強力和弱力,這四種力的活動就是宇宙間所有費米子互傳訊息的源頭,也是費米子之間所有交互作用的原動力。沒有四力,所有的費米子(所有的物質粒子)都只會單獨存在,甚至根本不會出現,沒辦法接觸、影響其他費米子,對彼此也渾然不覺。講得明白一點,凡是依靠這四力之一仍不會發生的現象,就全都不會發生。若果真如此,那麼只要完整認識四力,我們就能認識宇宙萬象背後的根本原理。我們已經有一本極其精簡的規則手冊。 

二十世紀物理學家從事的研究,大半著眼於更深入認識自然界四種作用力的運作方式,以及彼此之間有什麼關係。就我們人類的訊息系統而言,或許會發現電話、傳真和電郵,終究不是那麼涇渭分明,而是可以設想成同一件事情的三種不同表現方式。這項發現可以把三種訊息服務統一起來。相同道理,物理學家也致力謀求統一四力,而且也取得若干成果。他們希望最終能夠找出一種理論,以此來解釋四力是同一種作用,只是呈現方式不同而已。這種理論還有可能把費米子和玻色子統合併入同一家族,他們稱這種理論為統一理論(unified theory)。 

能完整解釋宇宙的理論稱為統世理論,距離實現還有好幾步路程。其中一步特別吸引霍金,這必須解答一道問題:宇宙在初始的一剎那,在完全沒有時間流逝之前是什麼模樣?就這道問題,物理學家的問法是:宇宙的初始條件,或說宇宙初生的邊界條件(boundary condition)為何?由於這個邊界條件議題向來都是霍金的研究核心,這裡有必要花點時間討論。 



邊界挑戰 
假定你組裝一套鐵道模型布景,接著就該在鐵道上放置幾列火車,依你意願調好轉轍器和節流閥來控制行車速度,而且都得在啟動電源之前完成。這樣你就制定了邊界條件。就你的列車組來講,這段期間的實相完全從這組事件狀態開始,其他狀態都不適用。你啟動電源五分鐘後,每列火車分別位於哪個位置,是否有列車互撞,大體都取決於這組邊界條件。設想你完全不干涉,讓列車跑十分鐘,這時一位朋友走進房間,於是你關閉電源。這時你就有第二組邊界條件:在你關閉電源的瞬間,事物在布景裡的確切位置。 

假定你向這位朋友提出難題,要他努力想像,所有列車在十分鐘之前分別從哪些地點出發。這牽涉許多問題,不單是列車現況和節流閥、轉轍器的調節狀況之類的簡單事項,還包括:每列火車各以多高速率加、減速度?鐵道有沒有哪些段落的阻力比其他段落更強?坡度有多陡峭?電力供應穩定嗎?能不能肯定沒有東西干擾列車組運行:目前不再顯而易見的因素是什麼?這整套操練確實令人生畏,你那位朋友的處境和現代物理學家的情況有些雷同,都是試圖解答宇宙如何開始:時間起點的邊界條件為何。 

在科學界,邊界條件不只適用於宇宙的歷史,它表示事情在某一特定時點的發展現況,好比實驗室某項實驗的起始狀況。然而考量宇宙的時候,情況就不像列車組或實驗室的實驗,這時邊界條件可不容許我們自行設定。霍金最喜愛的問題之一是,假定我們對物理定律的認識和了解都正確無誤,而且定律也始終沒有改變,那麼宇宙的初始有多少種起始的可能方式,可以在最後產生如今我們觀測的結果。他以「我們如今觀察宇宙所得結果」當成一種邊界條件,此外他還依循一種比較微妙的觀點,就是使用物理定律和定律始終沒有改變的假設,做為邊界條件。他想求得的解答,本身就是一道問題的答案:宇宙初生時的邊界條件為何?也就是要找出宇宙的初始條件:剛開始時的精確布局,包括當時必然已確立的最起碼的定律組,這樣才能在未來某個特定時候,產生我們如今所知的宇宙。霍金有些最有趣的研究,以及最令人驚奇的答案,正是在思考這道問題時產生的。 

發展粒子和自然界四大作用力的統一描述,以及宇宙起源邊界條件的知識,會是了不起的科學成就,不過那不是統世理論。再者,這種理論還必須能闡明現有理論中被視為恣意元素(arbitrary element)的那些數值。

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