神的方程式：對萬有理論的追尋

前言：簡介最終理論
它的目標是要成為最終理論（final theory），那是個單一的框架，循此來統合宇宙的所有力，並編排出從膨脹宇宙的運動到次原子粒子的最細微舞動等所有動作。箇中難題在於要寫出一則具有高度數學優雅特性，並能把物理學完整包納在內的方程式。
好幾位舉世最出色的物理學家都潛心探尋。史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）甚至還為他的一次演說冠上一則帶有喜慶意味的標題―〈理論物理學是否終點在望？〉（Is the End in Sight for Theoretical Physics?）。
倘若這項理論成功了，那就會成為科學的巔峰成就。它就會成為物理學的聖杯，那會是一則公式，而且原則上從它就可以推導出其他所有方程式，從大爆炸開始，接著一路進展來到宇宙的終點。那會是自從古人問道：「世界是以什麼組成的？」以來，歷經兩千年科學探尋所成就的最終產物。
這是個令人屏息的願景。

愛因斯坦的夢想
我最早是在八歲童稚時期見識了這個夢想所帶來的挑戰。有一天，報紙發布一位偉大科學家去世的消息。報紙上刊出了一幀令人難忘的照片。
那是他的書桌的影像，上面有一本攤開的筆記簿。文字說明聲稱，我們這個時代最偉大的那位科學家，沒辦法完成當初由他所啟動的工作。我覺得很驚奇。到底是什麼問題那麼困難，連偉大的愛因斯坦都解決不了？
那本簿子裡面寫了他的未完成的萬有理論（theory of everything），愛因斯坦稱之為統一場論（unified field theory）。他想擬出一則方程式，或許不比一英吋還長，藉此他就能夠，按照他的說法，「讀取上帝的心思」（read the mind of God）。
當時我並沒有完全意識到，那是個何等壯闊的問題，於是決定追隨這位偉人的腳步，期望能扮演個小角色，協力完成他的求知使命。
然而還有其他許多人都試過了，而且失敗了。如同普林斯頓的物理學家弗里曼．戴森（Freeman Dyson）所述，通往統一場論的道路上，滿失敗嘗試的屍骸。
然而，時至今日，許多領導物理學家都認為，我們終於逐步向答案趨近了。
領先的（也是我心目中唯一的）候選理論稱為弦論（string theory），根據這個學理，構成宇宙的並不是點狀粒子，而是纖小的振動弦，發出的每個音符分別對應於一顆次原子粒子。
倘若我們有一台倍率夠高的顯微鏡，我們就能看出，電子、夸克、微中子等，其實都只不過是模樣像橡皮圈的纖小環圈的振動。只要我們以種種不同方式來撥動橡皮圈充分次數，最後我們就會創造出宇宙間的所有已知次原子粒子。這就表示，所有物理學定律，全都可以歸結化為這些弦的和聲。化學就是我們能以那些弦奏出的旋律。宇宙就是一首交響樂。而上帝的心思，愛因斯坦以妙筆寫出的課題，則是在時空中共鳴的宇宙音樂。
這不單只是個學術問題。每當科學家破解了一種新的力，結果都改變了文明的進程，並扭轉了人類的命運。舉例來說，牛頓發現了運動和重力的定律，為機器時代和工業革命奠定了基礎。麥可．法拉第（Michael Faraday）和詹姆斯．馬克士威（James Clerk Maxwell）有關電與磁的學理解釋，為我們的都市照明鋪設了坦途，並帶給我們強有力的電動馬達和發電機，以及藉由電視和收音機的即時通訊。愛因斯坦的 E = mc2 解釋了恆星的動力，並協助破解了核力（nuclear force）之謎。當埃爾溫．薛丁格（Erwin Schrödinger）、維爾納．海森堡（Werner Heisenberg）和其他人解開了量子理論的祕密，他們也為我們帶來了今天的高科技革命，還賦予我們超級電腦、雷射、網際網路和我們客廳裡面的種種驚人美妙器具。
追根究柢，那所有現代技術，全都根源自逐步發現世界基本作用力的科學家。現在，科學家已經有可能把統一這四種自然力―重力、電磁力和強核力與弱核力―的理論彙整起來，構成單獨一個理論。到最後，它就有可能破解科學一切範疇的最深奧謎團和問題，好比：
●大爆炸之前發生了什麼事情？為什麼一開始會出現大爆炸？
●黑洞的另一端有什麼東西？
●時光旅行有可能成真嗎？
●是否有通往其他宇宙的蟲洞？
●是否有更高維度？
●是否有平行宇宙構成的多重宇宙？
本書敘述探求這種終極理論的尋覓過程，以及當中種種離奇的迂迴轉折，鋪陳出了這段無疑是物理學史上最古怪的篇章之一。我們會回顧所有先前的革命，那些變革賦予我們種種美妙的技術產物，從牛頓革命開始，接著一路推演到電磁力的掌握，還有相對論和量子理論的開展，以及今天的弦論。而且我們還會解釋，這項理論如何有可能也破解空間和時間的最深奧謎團。

批評陣營
不過障礙依然存在。儘管弦論激發出振奮激情，批評人士向來熱衷於指出它的缺陷。接著在種種宣揚炒作和狂熱舉止之後，真正的進展遲滯了。
最明顯的問題在於，儘管媒體阿諛稱頌那項理論的美和複雜性，我們卻沒有可測試的具體證據。我們一度寄望於大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC），位於瑞士日內瓦郊外的史上最大型粒子加速器，期盼它能找到最終理論的確鑿證據，如今這卻依然捉摸不定。大型強子對撞機能夠找到希格斯玻色子（Higgs boson），這種粒子號稱上帝粒子（God particle），卻只能算是最終理論一片細小的缺失拼圖。
儘管目前已經提出了好些深具雄心抱負的提案，建議建造威力更強大的機型，來接替大型強子對撞機，卻沒有人能擔保，這類昂貴的機器找不找得到任何東西，也沒有人能明確知道，到了哪個能量尺度，我們就能找到新的次原子粒子，好來驗證這項理論。
不過有關弦論的最重要批評或許就是，它提出多重宇宙的預測。有次愛因斯坦曾說，關鍵問題在於：當上帝著手創造宇宙，那時祂有沒有選擇餘地？宇宙是獨特的嗎？弦論本身是獨特的，然而它或許有為數無窮的解。物理學家把這個稱為地景問題（landscape problem）——我們的宇宙其實有可能只是眾多解之一，而且同等可信的解，如浩瀚汪洋般充沛。倘若我們的宇宙只是眾多可能性當中的一個，那麼哪一個是我們的？我們為什麼住在這處宇宙，而不是另一處裡面？那麼，弦論的預測力在哪裡呢？那是個「萬有理論」（theory of everything）呢，或者是「萬可理論」（theory of anything）呢？
我承認我和這項搜尋連帶有關。我從一九六八年起就投身從事弦論研究，它就是在那年偶然出現，沒有公開宣布，也完全出人意料之外。我見識了那項理論的驚人演變，從單獨一項公式，發展成為一門學科，而且研究論文可以填滿整座圖書館。如今，弦論構成了全世界領導實驗室所進行大半研究的根本基礎。期盼本書能帶給各位一項平衡的、客觀的分析，兼顧鋪陳弦論的突破性發展和侷限性。本書還會解釋，為什麼這項探尋抓住了世界頂尖科學家的想像力，還有為什麼這項理論醞釀出了那麼強大的熱情和爭議。

第一章一以貫之——古老的夢想
凝望夜空壯麗景象，天際環繞著燦爛星辰，我們很容易被那種令人屏息、十足雄偉的氣勢給湮沒。我們的關注焦點轉向歷來最神秘的幾道問題。
宇宙有宏觀設計嗎？
我們如何理解看似毫無意義的宇宙？
我們的存在有什麼節律和道理嗎，或者這完全是毫無意義的？
我想起了史蒂芬•克萊恩（Stephen Crane）寫的詩：

有個人對宇宙說：
「閣下，我存在！」
「不過，」宇宙回答道，
「這件事可沒有讓我產生什麼責任感受。」

希臘人是最早認真嘗試釐清我們周遭世界混沌亂象的民族之一。亞里士多德等哲學家認為，萬物都可以歸結為四大基本成份（地、氣、火和水）的混合產物。不過，這四種元素是如何醞釀出世界的豐富複雜性？
就這個問題，希臘人提出了至少兩個答案。第一個答案出現得比亞里士多德更早，由哲學家德謨克利特（Democritus）提出。他認為，萬物都可以歸結為纖小的、看不見的、不可毀壞的粒子，他稱之為原子（atom），希臘文的意思是「不可分割的」。然而批評者指出，原子的直接證據是不可能取得的，因為它們太小了，觀測不到。不過德謨克利特仍能提出令人信服的間接證據。
舉例來說，想像一枚金戒指。多年下來，那枚戒指開始耗損。失去了一些東西。每天都有一些纖小物質碎片從戒指磨耗脫落。因此，儘管原子是看不見的，它們的存在仍是可以間接測定的。即便到了今天，我們的先進科學，大半仍是間接完成的。我們知道太陽的組成成分、DNA的細部結構，還有宇宙的年齡，全都歸功於這樣的測定結果。我們知道這一切，即便我們從來沒有前往探訪恆星，或者鑽入DNA分子或者目睹見識大霹靂。當我們討論談到試圖證明統一場論的諸般嘗試之時，直接和間接證據的這種區辨，就會變得至關重要
第二條途徑由偉大數學家畢達哥拉斯開創。畢達哥拉斯發揮獨到眼光，把數學描述應用於音樂等塵世現象，相傳他注意到彈撥里拉琴琴弦發出的聲音，和鎚擊鐵桿共鳴聲響的雷同之處。他發現，兩種聲音都發出以特定比率振動的音樂頻率。因此，美妙悅耳如音樂，其根源仍是出自共鳴的數學。他認為，這或許便表明，我們在身邊所見事物的多樣性，必然也遵守這相同的數學規則。
所以，起碼我們這個世界的兩大理論出自古希臘：有關萬物都是以看不見的、堅不可摧的原子所組成的觀點，以及自然多樣性能以振動數學來描述。
不幸，隨著古典文明崩潰，這些哲學上的討論和爭辯全都流失了。有關於世上可能有某種範式可以用來解釋宇宙的理念被人遺忘，塵封了將近一千年。黑暗籠罩西方世界，科學研究大半都被迷信、魔法和巫術的信仰所取代。

文藝復興時期的重生
十七世紀期間，好幾位偉大的科學家挺身挑戰既定秩序，投入探究宇宙本質，然而面對他們的是嚴苛對抗和迫害。約翰尼斯•克卜勒（Johannes Kepler）是最早應用數學來說明行星運動的人士之一，他是神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世（Emperor Rudolf II）的皇家數學家，也或許他從事科學研究之時，虔誠納入了種種宗教元素，才得倖免未受迫害。
當過僧侶的焦爾達諾•布魯諾（Giordano Bruno）就沒有那麼幸運了。一六〇〇年，他以異端邪說罪受審並被判死刑。他遭封口並在羅馬赤裸遊街示眾，最後被綁上火刑台燒死。他的首要罪名？宣揚在環繞其他恆星的行星上可能存有生命。
偉大的伽利略，實驗科學之父，險些遇上相同的命運。不過伽利略不像布魯諾那麼頑強，他在死亡之苦威脅下撤銷自己的理論。不過他以他的望遠鏡留下了一項持久遺贈，留給我們科學史上最具有革命性和煽惑性的發明。有了望遠鏡，你就可以自己親眼看到，月球密密麻麻滿佈隕石坑；金星有不同的相位，而且和它的繞日軌道對應相符；木星有成群衛星，這一切全都是異端邪說。
只可惜，他遭軟禁，不得會見訪客，最後還失明。（據說那是由於他有次用望遠鏡直接觀測太陽所致。）伽利略死時窮途潦倒。不過就在他死亡那年，一個嬰兒誕生在英格蘭，而且他會完成伽利略和克卜勒當初未能完成的理論，也帶給我們一項天空的統一理論。

前言：簡介最終理論
它的目標是要成為最終理論（final theory），那是個單一的框架，循此來統合宇宙的所有力，並編排出從膨脹宇宙的運動到次原子粒子的最細微舞動等所有動作。箇中難題在於要寫出一則具有高度數學優雅特性，並能把物理學完整包納在內的方程式。
好幾位舉世最出色的物理學家都潛心探尋。史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）甚至還為他的一次演說冠上一則帶有喜慶意味的標題―〈理論物理學是否終點在望？〉（Is the End in Sight for Theoretical Physics?）。
倘若這項理論成功了，那就會成為科學的巔峰成就。它就會成為物理...

導讀
前言：簡介最終理論
第一章　一以貫之―古老的夢想
第二章　愛因斯坦對統一的探求
第三章　量子崛起
第四章　幾近萬有理論
第五章　暗宇宙
第六章　弦論興起：指望和問題
第七章　尋找宇宙的意義
結論
致謝
註釋
文獻選讀

導讀
前言：簡介最終理論
第一章　一以貫之―古老的夢想
第二章　愛因斯坦對統一的探求
第三章　量子崛起
第四章　幾近萬有理論
第五章　暗宇宙
第六章　弦論興起：指望和問題
第七章　尋找宇宙的意義
結論
致謝
註釋
文獻選讀