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霍金的宇宙(2)   高涌泉

  如果沒有事先的介紹,任何人第一次看見史蒂芬•霍金(Stephen Hawking)(或他的照片),都猜想不到這個癱臥於輪椅上,全身上下,似乎只有躲在深度鏡片後頭的眼睛還能動的柔弱之人,是當今宇宙學霸主。霍金生於1942年,二十來歲時得了ALS症(運動神經細胞症),無法控制肌肉,衰退到後來只有依賴輪椅才能行動,而且要靠聲音合成器才能和別人溝通。普通有此病症的患者容易因不能呼吸或因肺炎等併發症死亡,霍金能活到今天已是奇蹟。

  霍金說,自己唸大學時,不是個積極的學生。患病後才奮發治學。因為隨時可能就沒有明天,也就比較放得開,敢大膽提出一些「驚世駭俗」的理論。例如1974年他發表一篇論文宣稱黑洞會不斷放出輻射,直到消失。當時不少黑洞專家不肯接受,相信霍金一定搞錯了。然而他並沒有錯,而且聲名也因此大揚。今天我們把這個奇特且重要的現象稱為「霍金輻射(Hawking Radiation)」,已經有數千篇論文從各種角度來研究它,是非常熱門的題目。霍金新鮮的點子很多,一個接一個拋出,儘管不是個個成功,但確立了他三十年來在宇宙學中的領導地位。他於1979年接任劍橋大學地位崇高的盧卡斯數學講座教授,前任盧卡斯講座教授包括牛頓、狄拉克等物理巨人。

  霍金在研究工作之餘,還到處演講。無論是專業演講或是通俗演講,都會吸引大批聽眾。對很多人而言,他就是當今的「科學先生」。霍金的名望能跨出學院的藩籬,一個主因是他於1988年出版了《時間簡史(A Brief History of Time)》,一本在美英長期位居排行榜高位的暢銷書,賣了超過一千萬本,遙遙領先其它科普書籍。《時間簡史》這本書扼要地介紹了相對論與量子論的基本概念,以及它們在宇宙學中的應用,他自己的「霍金輻射」當然也寫了進去。如此一來,這本書就頗有些難度,一般人要從頭讀到尾不是很容易的事。難怪有統計數字說,百分之七十買了《時間簡史》的人並沒有認真地把書看一遍。但是反過來看,還是有百分之三十的人能耐著心欣賞《時間簡史》這樣比較「硬」的書,足見《時間簡史》的魅力不凡。霍金很清楚科普書寫作原則:公式要少(全書其實只有E=MC2這一個公式)、故事要流暢。當然流暢的故事也必須是精采的故事。不過這一個要求對於《時間簡史》的主題──宇宙學──來說,一點也不成問題,因為關於宇宙的有趣故事太多了。宇宙是一個既真實又容許無限想像空間的題材,是最受歡迎的科普主題之一。

  霍金在21世紀第一年末推出了他第二本以大眾為對象的通俗著作──《胡桃裡的宇宙(The Universe in a Nutshell)》。就像非常賣座的電影一定有續集推出一樣,很多人都在期待霍金出版《時間簡史II》。《胡桃裡的宇宙》就是霍金給大家的答案。但是霍金並不希望大家把這一本新書看成《時間簡史》的續集而已。他在《胡桃裡的宇宙》自序中說:「不斷有人問我何時會寫續集。我則是一律婉拒,因為我不想寫一本《時間簡史之子》……不過我逐漸體會到,的確有必要寫一本風格不同且比較淺顯的書。《時間簡史》是採用直線式架構,幾乎每一章都和前面各章的內容有關。……很多人在前幾章就卡住了,……本書則不然,它比較像一顆樹,第一、二章是主幹,其它各章全部是分枝。」也就是說霍金認為讀者「在讀完兩章主幹後,先看哪一章都沒關係。」這樣的安排當然是想要減輕一般讀者閱讀時的壓力,以求銷路好一點。不過我驚訝地發現後五章裡講的是相當尖端的東西,和《時間簡史》比起來,未必「比較淺顯」。例如第七章《美麗膜世界》裡所談的膜世界(brane world)、M理論、全像性(holography)等是這兩三年內才出現在理論物理研究中的概念,只有物理系博士班高年級學生才可能接觸這種時髦的題材。很多物理系教授可能都還不知道這些詞彙的意涵。

  只有霍金藝高膽大才敢把「這些日新又新的發現以及不斷浮現的宇宙真相」寫進書裡,因為他「希望和大家分享它們所帶來的激動與喜悅。」這些概念背後的數學相當高深,會嚇退大多數想要一探究竟的人,但霍金相信他不必用數學就可以把這些新鮮的概念介紹給大家。為了要避免數學公式,他用心設計了許多非常精采的彩色插圖,是《胡桃裡的宇宙》最引人的特色,也使得整本書看起來非常華麗。霍金的目標達成了沒有,當然只有讀者可以打分數,他自己則很客氣:「我只能說,希望自己做到了。」

  《胡桃裡的宇宙》的讀者要小心一件事:華麗的外表背後隱藏著許多陷阱,首要的是宇宙論裡仍有太多未經考驗的理論。最基本的盲點在於物理學家至今仍未能完美地結合量子力學和廣義相對論,也就是還未有一個完備的量子重力論。而宇宙學是將整個宇宙的歷史做為研究對象,包括宇宙起源與一切物質的形成及分布,這些問題的研究都需要量子重力論。因此在還沒有量子重力論之前,宇宙學的研究,從某個角度看像是瞎子摸象。因為未知的事務很多,所以宇宙學研究者一方面海闊天空無所拘束,一方面也因此得戰戰兢兢,小心翼翼。讀者得謹記霍金所談的很多理論,例如弦論、超重力、蛀孔,嚴格的講都還只是假設而已。

  從《胡桃裡的宇宙》一書可以看出,霍金是非常樂觀的人。他談論新點子時的積極語氣,會讓比較謹慎保守的人受不了。但是我們也要知道霍金就是憑著過人的樂觀與進取積極才能生存至今。《胡桃裡的宇宙》的可貴之處在於展現了一位受命運捉弄的頂尖科學家面對未知時,仍依著童稚的好奇心,無畏的、積極的探索,在過程中尋得最純真的喜悅。科學如果有意義,就在於這份喜悅。


原載《科學人》創刊號;作者係台灣大學物理系教授




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