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銷售率與供奉度的平衡──評《胡桃裡的宇宙》   曾耀寰

  我們可以對一本書籍定義出一個數,我稱為供奉度,基本上這個數是購買此書人次和閱讀此書人次的比值,如果這本書買回家後就不再詳讀,甚至不再翻閱,則供奉度就很高,如果這本書買回家後還會經常閱讀,那麼供奉度就很低,有時甚至會小於一,金庸武俠小說的供奉度通常屬於後者,供奉度小於一,大多數的讀者會一次又一次地閱讀,甚至可以召開金庸武林大會,來個華山論劍。而霍金的《時間簡史》屬於前者,《時間簡史》在倫敦《週日時報》的暢銷書排行榜上長達四年,是一本全球性的暢銷書,但《時間簡史》的供奉度非常高,主要原因就如霍金本人所說的,它並不是一本簡單的科學書籍。

  現在霍金又出了一本科普的書籍—《胡桃裡的宇宙》,這是一本介紹宇宙學的書,距離1988年出版的《時間簡史》已有十三個年頭。在這期間,宇宙學有很大的進展,由於觀測儀器的進步,有關宇宙起源的大霹靂學說已被廣泛接受,從COBE衛星獲得的資料,完美地呈現出2.73K宇宙微波背景輻射,整個宇宙充滿了溫度為2.73K的光子海,這正是大霹靂學說所預測的結果,宇宙在大霹靂後會逐漸降溫,大霹靂學說預測光子的溫度降到現在只剩3K左右。另外最新的高空氣球觀測資料發現宇宙是平坦的,雖然宇宙是不斷地膨脹,但最終不會再收縮成一點,或者是不斷地加速膨脹。新的觀測資料揭露出宇宙的許多秘密,也推翻了許多學說,最有趣的是愛因斯坦的錯誤。愛因斯坦在發表他的廣義相對論之後,沒多久就發表了宇宙的場方程式,根據他的方程式發現宇宙會隨時間變化,這和他的想法相違背,愛因斯坦認為宇宙是靜態的,因此他在方程式當中加了一項宇宙常數,試圖讓宇宙的時空反方向彎曲,就像是一個排斥力,平衡物質之間的萬有引力,讓宇宙維持靜態。可惜哈柏的觀測發現宇宙是膨脹的,宇宙常數的出現看似多餘,迫使愛因斯坦承認他的畫蛇添足之舉。

  愛因斯坦的錯誤真的是個錯誤嗎?最新的超新星爆炸資料認為宇宙有將近百分之六十五的質量來自真空能(又稱為黑暗能量),根據愛因斯坦的質能關係,質量是等同於能量,這多出來的能量可以讓宇宙加速擴張,就像愛因斯坦的宇宙常數一樣,具有排斥的作用,愛因斯坦承認的錯誤好像不是個錯誤。但是另一個愛因斯坦不承認的錯誤卻真的是個錯誤,愛因斯坦最著名的一句話就是他不相信上帝會擲骰子,這句話是針對當時的量子物理。量子物理最重要的觀念是機率波,海森堡發現我們無法同時對物體的位置和速度做出精準的測量,測量位置的誤差越小,得到的速度誤差越大,如果想要準確地量出物體的速度,那麼看到的物體會是模糊的一團,不知道它確切的位置,這就是著名的測不準原理。這時候描述物體最好的方式就是機率波,用一個波函數代表物體的狀態,通常在日常生活中我們用不上波函數,因為所碰到物體的尺寸大小都很大,牛頓力學就足以應付。同樣地,愛因斯坦的廣義相對論在日常生活中也用不上,唯有萬有引力很強,密度很高的地方,像是時間變慢和彎曲空間的廣義相對論效應才會明顯,其他情形用牛頓的萬有引力理論也就夠了。

  當廣義相對論遇上量子物理會發生什麼事?根據現有的物理理論,這個問題是無解的,現在還沒有一個理論可以同時包容廣義相對論和量子物理,沒有一個所謂的量子重力場論,就是這個原因才讓該領域充滿了趣味。《胡桃裡的宇宙》一書介紹了許多有趣的理論,像是p維膜、虛數空間、弦論、十一維超重力、蛀孔和美麗膜視界等。這些理論不僅美觀、華麗,在科幻世界裡更具有實用性,在書中的第六章就探討了這方面的問題。

  雖說《胡桃裡的宇宙》比以前的《時間簡史》容易閱讀,插圖製作也更加精美,但在閱讀之後,到底有多少收穫?難道只是在華山使弄一些類似黑洞蒸發、虛數時間或穿越蛀孔的招數?還是真正領悟到心法?其實書中有趣的部分在於它所提到的物理和平時課本上所學的不同,有所不同才會有吸引人之處。《胡桃裡的宇宙》所提的內容很多都是新知,而且還對物理的本質作出深刻的討論,其中一個就是命定論。在古典物理中,尤其是牛頓力學認為只要知道初始條件,就可以透過物理定律將往後的所有過程一一計算出來,也就是說,我們只要知道了因,就可以預測出果,這比算命仙還要準。即便是愛因斯坦的相對論也是命定論,只不過相對論算的比牛頓力學還要準,適用範圍還要廣,只可惜我們無法獲得所有的初始條件,否則透過這些物理定律,是可以準確地計算出宇宙未來的細節。

  但根據混沌理論和量子物理是無法做到預測未來,在東京振翅的蝴蝶可能會讓紐約下雨,振翅的小小誤差可能會造成整個地球的天氣改變,這就是混沌理論的極致表現,初始條件些微的差異就會有天南地北的結局。假如我們可以非常準確地得知初始條件,是否能繼續保有命定論,答案是否定的。二十世紀的兩大物理支柱就是相對論和量子物理,量子物理所處理的對象是機率波,機率波的概念直接衝擊了我們對原子結構的認知,早期我們認為電子就像地球環繞太陽一樣繞著原子核公轉,電子有一定的公轉軌道,若根據量子物理的機率波概念發現,電子是像雲霧般圍繞在原子核四周,我們不知道電子在某個時刻的確切位置,只知道電子最可能出現的位置。這麼說來我們根本無法知道電子準確的位置,沒有準確的初始條件,命定論就不可行。大家較為熟悉的霍金黑洞蒸發對命定論卻另有一番論點,書中對P維膜模型的描述也都值得一讀。

  這些理論的正確性有多少?我們都知道物理最重實驗證據,一個合乎邏輯的數學模型並不代表大自然就是照這種方式運作,模型的對錯都要靠實驗的證實。因此一個好的模型是要能提供預測,並且這個預測可供人檢驗,另外好的模型還要有一致性,新發展的模型必須解釋被推翻的模型為什麼之前可以行的通。《胡桃裡的宇宙》所提到的理論是否也有預測性和一致性?書中最有趣的理論應該是M理論,霍金認為M理論有可能成為一個萬有理論,萬有理論屬於一統江湖的理論,希望用單一一個理論解釋所有的現象。大自然真的有一統江湖的理論?這是值得深思的問題,但萬有理論似乎因為無法檢驗而引發自身的危機。

  誠如霍金所說,《胡桃裡的宇宙》的內容包括當今最活躍的幾個研究領域,除了第一、二章之外,讀者不必按照順序閱讀。精美的插圖和有趣的內容,相信《胡桃裡的宇宙》的供奉度會比《時間簡史》低一些。


原載《科學月刊》2002年3月號




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