在看完電影<愛的萬物論>後
被霍金驚人的意志力和樂觀態度所深深感動
很難想像一個漸凍人, 如何在手腳慢慢不能活動下, 甚至無法說話下
依然能繼續進行著困難的物理研究
電影中有一幕是他拿到可以把他打的字轉成聲音的機器, 然後他十分開心地拿它來唱歌
頓時讓我覺得, 我們都太不珍惜自己已經有的東西
最基本最平凡的事物, 在失去後才會發現, 那才是最珍貴的
有點離題了
看完電影後, 很好奇是什麼研究題目讓霍金願意把自己的一生投注在上面
想著是應該來讀一下霍金著名的科普書<時間簡史>了
這本書後來有兩個改版
一個是<新時間簡史>, 把原來版本弄得較更淺顯易懂一點,適合大眾閱讀
另一個是<圖解時間簡史>, 加了漂亮的圖片和一些章節, 內容也更完整但也難懂一點
我腦波一弱, 就選擇了後者來看
看完的主要感想是, 有著圖片的輔助, 看起來還滿順暢的
如果對近代物理有些認識, 前半段算是溫習已經知道的東西
而後半段進入霍金自己的領域, 也就是宇宙學, 包含了像是黑洞, 蟲洞, 時空旅行等東西
也解釋了時間這概念的獨特性以及人類目前對它的科學認知以及想像
但許多內容都尚未或無法被驗證, 因此雖然很適合當小說題材和高銷量的科普書, 但不該被視為嚴謹的科學
霍金跟愛因斯坦一樣, 把自己奉獻於尋找一個大一統的物理理論
希望能用它來詮釋人類能觀察到的所有物理現象
但愛因斯坦失敗了
而目前的超重力與弦理論也都因為無法提供出可觀察的預測而高掛在空中的樓閣上
(連Shelton Cooper都被迫轉行, 就知道現今對弦理論的氛圍)
我自己的看法則和<老子>開頭所講的"道可道, 非常道"類似
或許也有被Godel的不完備定理所影響
我不認為依人類這種有缺陷的邏輯系統, 有辦法得知宇宙最真實的運作法測
但霍金在知道不完備定理下, 依然對人類能找到大一統理論十分具有信心
應該就是這種樂觀支持他到現在的吧
以下是我對<圖解時間簡史>的簡短筆記
若有人對黑洞和蟲洞的概念想有更具體的了解
還是建議看一下這本書裡的圖, 因為四維時空已超出人類的三維思考所能想像的範圍
===================================================
人類對宇宙的認知, 是由一個又一個的假說或學說演進而來
當每一個舊的學說無法解釋一些現象時, 就會有新的學說被提出並被奉為圭臬
直到又有無法被說明的現象出現為止
在印度古代的宇宙觀裡, 地球是個平面而且被六隻大象背負著, 而牠們又踏在一隻巨龜上
然而在西元三百多年前, 亞里斯多德即提出地球應該是球體
因為月食是圓形, 北極星越往南方位置越低, 以及在遠方的船會先看到船帆然後才是船身
但亞里斯多德認為地球是不動的
西元二世紀時, 托勒密進一步提出地心說
也就是地球為宇宙中心, 月球太陽和所有行星都依完美的圓型軌道繞著它轉
而其餘恆星則在最外圈上轉
此模型大致上在當時的量測水準下可預測天體的運行
所以像是月球有時候應該會比平常大兩倍這種問題就不太重要了 (咦?)
直到十六世紀, 哥白尼提出地動說, 也就是太陽才是中心, 地球是繞著它轉
在十七世紀初, 伽利略用剛發明的望遠鏡發現木星有小衛星繞著它轉, 而非繞著地球轉
於是托勒密的地心說劃下了休止符
但地動說無法準確預測天體, 直到克卜勒指出行星軌道是橢圓形才開始與觀測吻合
接下來在十七世紀末, 牛頓出版了巨著<自然哲學的數學原理>, 克卜勒三大定律能被理論完全解釋
為此牛頓發明了微積分, 提出牛頓運動定律, 以及萬有引力定律!
這也是大部份人接受的宇宙相關的物理知識的終點, 但對於霍金來說, 好戲才剛要上場
二十世紀初為人類物理知識爆炸的時代, 以下為三個引爆點
第一是在馬克士威爾一統電力和磁力後產生的新問題
即電磁波的速度為常數, 此與所在座標系無關, 這完全違反了人類的直覺!
在1905年愛因斯坦提出了狹義相對論, 亦即時間與空間為相對的概念, 反而光速才是恆定的參考
雖然這從此顛覆了人類對物理的認知, 但這理論只作用在定速座標系, 也就是無受力下的狀態
為了理解在重力底下會發生什麼事, 愛因斯坦花了整整十年研究, 最後提出廣義相對論
將重力解釋為帶有質量的物體造成四維時空流體上的曲率
後來能準確解釋水星近日點進動速率以及重力透鏡現象, 更讓人手一機的GPS能如此準確
為目前人類對於大尺寸時空以及重力底下最準確的物理學說 (牛頓力學在強重力下是失效的, 如水星進動)
第二是另一個極端, 極小尺寸下的物理現象
首先傳統的電磁學告訴我們, 電子繞著原子核旋轉, 應會放出電磁波而漸漸失去能量, 因此沒有原子是穩定的!
於是電磁力無法獨立解釋極小尺寸的物理
另一方面, 在黑體輻射的研究上也出現了矛盾, 在傳統的法則下每個頻率應釋放出相同的能量
但因為頻率的可能性是無限大, 因此任一黑體(如恆星)都會釋放出無限大的能量!
為解決這明顯的矛盾, 普朗克在1900年提出量子說
即電磁波只能以個別的"量子"釋出, 而其能量與頻率呈正比
因此高頻率的輻射將會減少, 進而能正確解釋觀測到的黑體輻射現象
但其對科學決定性的影響, 是直到1926年海森堡提出"測不準原理"後才開始的
"測不準原理"是說一個粒子的位置和速度的量測精準度有其上限
也就是不能同時很精準地得知一個粒子的位置和速度
以這種原則出發的新理論, 即是目前人類對於小尺寸物理最準確的學說: 量子力學
其中心概念為, 物體最準確的描述為量子態, 而位置和速度僅為對其量測的結果
而量子態本身為隨機分布的概念, 也因此推翻了拉普拉斯的決定論
(亦即給定初始條件, 所有物體的運動都可被理論所預測, 因此你我的未來都早就被決定了)
另外, 量子態的概念也開啟了新型態的數學描述
粒子和波都僅是被觀測到的現象, 在不同時候用粒子或波去思考會比較有幫助, 即所謂的波粒二象性
這種二元性的概念, 有點像盲人摸象的意思, 對於同一事物在不同觀點下可能有不同的描述, 但其實是同一個本體
近來此種概念更被延伸, 用來一統電磁力, 弱核力和強核力
此三種力被認為僅是在不同能量等級下的不同面向 (如冰, 水, 和水蒸氣)
但四大作用的最後一個, 重力, 依然無法被統一在這個理論中
第三個則是宇宙學的瓶頸
由於萬有引力為吸引力, (牛頓也了解)理論上因此整體宇宙應該要整個吸聚在一起
唯一解法是宇宙為無限大, 但這會導致天空應該是滿滿的星星
因此萬有引力本身無法完全解釋宇宙, 必須用到廣義相對論
而愛因斯坦為了讓宇宙是靜態的, 甚至在愛因斯坦方程式中引進了宇宙常數
在1929年, 哈伯發表他的觀測結果, 星系的紅位移與相對於地球的距離成正比, 說明著宇宙本身並非靜態, 而是在擴張中!
(因此愛因斯坦稱宇宙常數是他一輩子最大的錯誤, 但事實上這後來卻開啟了新的研究方向)
此後出現了"大霹靂"的宇宙模型, 亦即宇宙有一個誕生點, 在爆炸後宇宙便往外擴張
但最後是否收縮或是無限擴張, 則是宇宙學家爭論的焦點
霍金研究的即是以上三個重要物理領域的交集點: 大霹靂(或黑洞)的奇異點問題
廣義相對論本身便可推導出時空曲率無限大的奇異點, 但在這奇異點理論本身就失效了 (因為數學上為無限大)
另外若考慮大霹靂和黑洞的奇異點, 因為牽涉了小尺寸物理, 所以量子力學必需進入討論
也因此霍金一生在找尋的, 即是能一統相對論與量子力學的量子重力理論
雖然目前尚未有定論, 但霍金在書中討論了它應該具有哪些特質, 以及一些讓人目眩的有趣現象
但老實說, 我並不是很喜歡這部份的內容, 因為太多無法被觀察到的理論了, 比較像是人類純腦力激盪出來的小說
像是對於霍金輻射, 和到底是黑洞還是灰洞, 到目前都未有定論 (霍金輻射尚未被觀測到)
因此以下我只記下我感興趣的一些內容
黑洞:
恆星的質量很大, 理論上因為重力的關係, 會造成自我向內崩塌
而我們看到的閃亮的恆星, 是靠著核融合產生對外的能量所以能擋住重力崩塌
一旦燃料用盡(例如氫氣), 恆星崩塌就會開始, 質量較小的恆星會變成白矮星或中子星
但質量超過約30個太陽的恆星會形成黑洞
也就是其重力大到連光線都跑不出來, 物體一旦穿過其事件視界, 就再也出不來了
而黑洞內部會存在密度和時空曲率無限大的奇異點, 在某些解下有些奇異點是可以被看到的
如果有一個太空人不幸掉進黑洞, 但又極幸運地看到這奇異點, 就有機會進入蟲洞並從宇宙的另一處冒出來
(是的, 這就是電影<星際效應>結局的理論來源, 但的確得有"可能發生的事情就會發生"的莫非定律加持才行)
霍金輻射:
黑洞似乎會吞噬一切, 所以無法直接偵測到, 目前都是以間接的方式來判斷黑洞存在與否
但讓霍金一舉成名的事蹟, 就是否定這個想法
首先, 熱力學第二定律告訴我們熵應隨時間增加而增加, 但如果丟進黑洞裡的資訊就不見了的話, 那麼熵不就有可能減少了!?
因此黑洞本身的定義似乎和熱力學第二定律相違背
為解開這個矛盾, 霍金提出了黑洞並不全黑, 而是會不斷的對外產生輻射的理論
他理論的根基是"測不準原理", 不只是粒子的速度和位置精確度有上限, 力場的強度與其變化速度的精確度也有上限
因此不可能有完全空無一物的空間, 力場強度在每個地方都應該具有最小的不確定性和量子起伏
從量子力學的角度來看, 這就代表看似什麼都沒有的空間中, 充滿了虛粒子對
它們會在極短的時間內, 一起出現, 分開, 然後消滅彼此, 雖然無法直接偵測到, 但其間接效應已可以被實驗證實
想像在黑洞的事件視界邊邊, 有一虛粒子對產生, 其中一個掉入黑洞中出不來, 另一個幸運逃脫
這看起來就像是黑洞會"吐"出一個新的粒子
因此結論就是黑洞會不斷的產生輻射, 而慢慢失去它的能量和質量, 所以黑洞本身並不全黑, 甚至久一點以後會變成不是黑洞!
虛數時間:
在廣義相對論中, 時間和另外的三維空間有明顯不同的特性
例如四度時空中的長度s的定義為
s^2 = x^2 + y^2 + z^2 - c*t^2 (c為光速)
時間t的前面是個負號, 和空間x,y,z前的正號不同, 因此性質上也有所不同, 例如時間只能單方向前進
但如果我們定義一個虛數時間w=it代入的話
會發現w和空間的特性是相同的, 雖然實際意義不明, 但數學特性十分良好
例如霍金指出可以假設宇宙本身是一個在x,y,z,w空間中的一個封閉流體
定義w的最小處為北極的話, 可以把宇宙的膨脹, 用越往南走同一緯度的周長會越大來類比
經過赤道後, 宇宙就開始收縮
這樣一來, 不但能解釋大霹歷的來源, 也可以避免掉奇異點的問題 (此封閉流體為單純的四維"球"而已)
但霍金也說明, 這僅是一個假說, 無法驗證也無法提供任何有別於其它模型的可預測結果
所以雖然名字聽起來很厲害, 但只能用來說明用而已
時間箭矢:
時間有方向性這件事情, 一直是困擾物理學家的一件事情
目前認為科學的法則滿足C-P-T對稱 (C為粒子和反粒子, P為鏡像, T為時間)
即對於一個反粒子的鏡像, 其時間往後走的物理法則, 會和我們習慣的粒子其時間往前走一樣
又大部份的情況下, 科學法則是滿足C-P對稱的
因此一般來說科學法則本身在時間往前與往後並無區別
但至少有三種時間箭矢可以區分過去和未來
一是熱力學箭矢, 時間往熵增加的方向走
二是心理學箭矢, 也就是人類認知的時間, 會和熱力學箭矢一樣, 因為記憶會消耗能量(增加熵)
三是宇宙學箭矢, 也就是宇宙擴張的方向, 也同樣熵會增加
因此一旦宇宙開始收縮, 會不會人類就會突然失去記憶了呢?
這又是一個小說的好題材
蟲洞和時空旅行:
要想像蟲洞最簡單的方法就是顧名思義
想像有隻螞蟻活在一顆蘋果表面, 牠等同於一個住在二維空間的生物
牠要從蘋果的北極走到南極, 最快也得走半個圓周
但如果有個淘氣的三維生物, 幫牠放了隻蟲在北極, 然後蟲直接從北極穿過蘋果中心蛀到南極
這樣對螞蟻來說就是突然多出個了"蟲洞", 而且南北極距離只要直徑長, 比原來的快
而四維時空裡的蟲洞也是類似, 在四維流體上看似很長的距離 (例如十萬光年)
若有五維的生物幫我們開了個蟲洞, 我們或許就可以只用三十分鐘就到達
甚至是可以回到過去或未來!
但霍金指出, 在微觀的世界下蟲洞的確是可能的, 但是否能允許巨觀尺度的人類使用, 要打一個大問號
除了"回到過去殺掉你曾祖父"的悖論以外
另一個真正可能阻止這件事發生的則是能量密度可能會過大而扺消掉蟲洞的曲率, 因而讓蟲洞消失
然而小說家和電影編劇基本上是不管這個疑慮的
留言列表
