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書名：The Universe in a Nutshell
譯名：胡桃裡的宇宙
作者：Stephen Hawking
譯者：葉李華
出版：大塊文化出版社
出版日期：2001年11月26日
ISBN：9570316985
平裝、228頁、500元
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胡桃裡的宇宙
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，
沒有一個所謂的量子重力場論，就是這個原因才使得該領域充滿了趣味。
曾耀寰
我們可以對一本書定義出一個數，我稱之為供奉度，基本上這個數是購買此書的人次和閱讀此書人次的比值。如果一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，那麼供奉度就會低很多，有時甚至小於一。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的閱讀，甚至還能召開金庸武林大會，來個華山論劍。而霍金的《時間簡史》則屬於前者，《時間簡史》居倫敦《週日時報》的暢銷書排行榜長達四年，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書籍─《胡桃裡的宇宙》，這是一本介紹宇宙學的書，距離他在1988年出版的《時間簡史》已有十三個年頭。在這段期間，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，可以完美呈現出2.73K的宇宙微波背景輻射，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，預測光子的溫度降到現在大約只剩3K左右。另外最新的高空氣球觀測資料還發現宇宙是平坦的，雖然宇宙不斷膨脹，但最終既不會再收縮成一點，也不會毫無限制的不斷加速膨脹。新的觀測資料揭露出宇宙許多秘密，也推翻了許多學說，而最有趣的就是「愛因斯坦的錯誤」。愛因斯坦在發表廣義相對論之後不久，就發表了宇宙的場方程式，根據這個方程式發現宇宙會隨時間變化，而這和他的想法相違背（愛因斯坦認為宇宙是靜態的），因此他在方程式中加了一項宇宙常數，試圖讓宇宙的時空反方向彎曲，就像一個排斥力，可平衡物質之間的萬有引力，讓宇宙維持靜態。可惜哈柏的觀測證明宇宙是膨脹的，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？根據最新的超新星爆炸資料，宇宙有將近65%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，質量等同於能量，這些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，故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所提出的。
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，測量位置的誤差愈小，得到的速度誤差愈大，如果想準確量出物體的速度，那麼看到的物體將會是模糊的一團，無法知道它的確切位置，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，而日常生活中我們通常用不到這種波函數，因為所碰到的物體尺寸都很大，只需牛頓力學就足以應付了。同樣的，愛因斯坦的廣義相對論在日常生活中也用不上，唯有在萬有引力很強、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，其他情形也只要用牛頓的萬有引力理論就夠了。
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，就是這個原因才使得該領域充滿了趣味。《胡桃裡的宇宙》一書中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，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，但閱讀之後到底能有多少收穫？究竟這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？還是可真正領悟到的心法？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，其中之一就是命定論。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，只不過相對論算得比牛頓力學更準、更廣，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，應該可以算出宇宙的未來運勢。
但根據混沌理論和量子物理未來是無法預測的，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、截然不同的結局。假如我們可以非常準確的得知初始條件，是否能繼續保有命定論呢？答案是否定的。前頭提的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；但若根據量子物理的機率波概念卻會發現，電子是像雲霧般圍繞在原子核四周，我們無法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的準確位置，而沒有準確的初始條件，命定論就不可行。但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。
那麼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按照這種方式運作的，而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，且這個預測必須可供人檢驗；此外，好的模型還要有一致性，新發展的模型必須能解釋被推翻的模型之前為什麼可以行得通。《胡桃裡的宇宙》所提到的理論是否也有預測性和一致性？而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。但大自然真的有一統江湖的理論嗎？這是個值得深思的問題，但萬有理論似乎有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》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。而精美的插圖配合有趣的內容，相信《胡桃裡的宇宙》的供奉度會比《時間簡史》低一些。
曾耀寰任職於台灣大學物理系
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 2002/07/28 08:37am  IP: 已設定保密 | [本文共 5504 位元組]  |
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