本書既富教育意義又叫人感動,它深刻地勾勒出一個橫跨宇宙的心靈。 ──蕭恩.卡羅爾(Sean Carroll),《深藏的東西:量子世界與時空的出現》(Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime)作者
作者簡介:
雷納.曼羅迪諾 Leonard Mlodinow 曾任教於馬克斯普朗克研究院(Max Planck Institute)和加州理工學院(California Institute of Technology),是一名理論物理學家。他的著作被翻成三十多種語言,銷售超過一百萬冊,其中包括:獲得PEN / EO威爾遜文學科學寫作獎的暢銷書《潛意識正在控制你的行為》,榮登《紐約時報》好書榜的《醉漢走路》(又譯《隨機法則》),與狄巴克.喬布拉(Deepak Chopra)合著的《世界觀之戰》(War of the Worldviews),與史蒂芬.霍金合著的《大設計》和《新時間簡史》,另有《放空的科學》、《科學大歷史》、《費曼的彩虹》和《歐幾里得之窗》。他還擔任過電視連續劇《銀河飛龍》和《百戰天龍》(MacGyver,又譯《馬蓋先》)的編劇。
譯者簡介:
蔡坤憲 東海大學物理系畢,交通大學電子物理所碩士,曾擔任逢甲大學光電學系暨物理教學研究中心講師。目前旅居紐西蘭,任教於漢彌爾頓市 St. John's College,《物理雙月刊》紐西蘭科學與物理教育點滴專欄作者。譯有《霍金大見解》、《觀念物理II》、《怎樣解題》、《時間之冪》等書,著有《觀念物理Ⅵ:習題解答》。
章節試閱
前言 在劍橋市中心,擁有五百年悠久歷史的大聖馬利亞堂(Great St. Mary’s church)裡,我與霍金做了最後的道別。二○一八年的三月,我坐在走道旁,就在他經過我的身旁,近在咫尺的那最後一瞬間,彷彿有種和他再次重逢的感覺,儘管有棺木把他和我們這些哀悼的人隔開,然而,也是這個棺木,在七十六年後的今天,終於可以保護他免於人世間的種種危難與挑戰。 霍金相信,死亡是一切的終點。身為人類的我們,創造建築,發明理論以及繁衍後代。雖然時間的長河會載著它們繼續前進,但我們終會有跟不上而被遺留下來的一天。這也曾是我的信仰,然而,在棺木通過我身旁的那一瞬間,我似乎感覺到,在這個木頭盒子裡,他仍然跟我們在一起。這是一種恐怖而奇異的感覺。我的理性告訴我,霍金所存在的短暫瞬間已經過去了,就像我自己的短暫存在,也會在幾年之後就結束。物理學教會我的,終有一天,不僅僅是所有我們珍視的東西,更包括我們能意識與感知到的所有事物,都將消失殆盡。我知道,所有的時間,包括我們的地球、我們的太陽,甚至連我們的銀河系,都只是借來的,當時間用完時,所有的一切盡歸塵土。然而,我還是默默地向霍金獻上,我對永恆未來的愛與美好祝願。 我低頭看著在霍金生平傳略封面上那張知足的臉。我回想起他的堅強,也想起他在讚賞人時的燦爛笑容,以及在反對你時的可怕鬼臉。我也回想起那段我們沉浸在同一件熱中事物的愉快時光。當我們在討論一些美好的想法時,或是我從他那裡學到什麼新東西的寶貴時刻——當然還有我試著說服他某個想法,而他卻紋風不動的挫折時刻,也都一一浮上心頭。 若要論及在物理學世界裡攪動風雲的能力,以及書寫表達物理的能力,霍金的成就都是世界知名的,特別是這些都是透過他那副殘破身軀做到的。然而,對一個癱瘓而無法自由行動,特別還是一個無法言語的人來說,想要維持長時期的友誼,發展出深厚的關係,以及找到愛情,都是極具挑戰性的。霍金知道,是人與人之間的連結,是愛,而不僅僅是他的物理,在滋養著他。也是因為這些,讓他贏得了超乎預期的成就。 某些悼詞隱喻地諷刺了生前不信上帝的霍金,死後卻在教堂裡舉行葬禮。但對我而言,這完全沒有矛盾。儘管在智性上,霍金堅信科學法則統領了所有的自然現象,但他本身卻是一個深具靈性的人。他相信人類的精神。他認為,在情感與道德的本質上,所有的人類都具有一些異於其他動物的特質,這也是人之所以為人的理由。他認為靈魂不是一種超自然的存在,而是大腦的產物,這樣的信仰絲毫無損於他的靈性。為什麼這麼說呢?對霍金而言,這樣一個動彈不得又無法言語的人來說,他的精神不就是他所擁有的全部嗎? 霍金總是把「固執是我最好的美德」掛在嘴邊,這點我無法反駁。固執讓他可以去追求一些眾人只會翻白眼,難以置信,而且似乎是看不到結果的想法。也是固執,讓他禁錮在這個寸步難移身軀中的靈魂,可以盡情的舞蹈。霍金的生命,完全違背了當初醫生的預測。然而,在二○一八年的三月十四日,霍金這顆恆星,終於還是燃燒殆盡了。現在,我們所有的人,包括家人、朋友、護理人員以及同事,大家齊聚一堂,與他道別。儘管他較我年長十三歲,本應於數十年前就過世,即使在他成年後,疾病纏身,並數次經歷可能致命的肺部感染。但在我心裡總是覺得,他應該會活得比我久。
與霍金合作的開始 我與霍金認識,是從他在二○○三年聯絡我之後開始的。他問我是否願意和他一起寫作。他讀過我的兩本書:關於曲度空間的《歐幾里得之窗》(Euclid’s Window),以及《費曼的彩虹》(Feynman’s Rainbow),關於我與一位傳奇物理學家之間的故事。他說他喜歡我的寫作風格,也喜歡我是一位可以了解他的研究工作的物理學家。我感到受寵若驚。在隨後的幾年裡,我們一起寫了兩本書,也成了好朋友。 我們合寫的第一本書是《新時間簡史》(A Briefer History of Time)。這本書不是原創作品,而是改寫自霍金的著名作品《時間簡史》(A Brief History of Time)。他的原意是希望把《時間簡史》變得更親切易懂些。然而,加州理工學院的理論物理學家索恩(Kip Thorne),也是霍金的一位好朋友,他曾對我說:你知道的物理愈多,你對《時間簡史》的了解就愈少。霍金的說法稍稍有點不同:「大家都買了這本書,但真的有去讀的人並不多。」 《新時間簡史》於二○○五年出版。我當時正在加州理工學院服務。定居在英格蘭的霍金,每年都會來加州理工學院研究訪問,每次停留二到四週。他的到訪,以及我們之間的電子郵件通訊,已經足夠讓我們寫完《新時間簡史》。至於他的其他著作,例如《胡桃裡的宇宙》(The Universe in a Nutshell),多是基於他在一九七○與八○年代的研究工作。因此,在《新時間簡史》出版之後,我們決定開始《大設計》(The Grand Design)的寫作計畫,這是一本關於他最新研究內容的書,介紹他從未在科普領域裡發表過的新理論,而且我們也計畫要涵蓋一些相當複雜的議題。例如平行宇宙(parallel universe),宇宙可以從一種空無(nothingness)狀態中誕生的概念,以及自然法則似乎是經過微調而使生命得以出現的事實等等。顯然,這是另一個層級的遊戲了!我們必須要有更多面對面的時間才可以。因此,我開始從加州「通勤」到劍橋與霍金一起工作。我一直通勤到二○一○年,直到我們終於把書寫完。
黑洞與初期宇宙的探索 霍金的生涯大部分都花在接替愛因斯坦遺留下來的工作。一九○五年時,愛因斯坦發明我們如今稱作「狹義相對論」的理論。當年,他只有二十五歲,物理研究只是他在專利分析員工作之外的興趣而已。相對論揭露出許多自然界裡詭異的祕密:時間與空間的測量是相對的,取決於觀察者;物質是能量的一種形式;沒有任何物體的速度可以超過光速。然而,這裡有個問題:狹義相對論並沒有直接討論到重力,它對速度的限制,明顯地違反牛頓的理論。牛頓認為重力的傳播是瞬間的,也就是說,重力傳播的速度是無限大的。 愛因斯坦對於這個矛盾感到很困擾。相對論需要修改嗎?還是應該放棄牛頓的重力理論?事實證明,這兩者都是必需的。愛因斯坦在這問題上花了十年的時間,他辭去專利局的工作,輾轉在伯恩(Bern,義大利)、蘇黎世、布拉格與柏林等地的學術機構任職。終於,在一九一五年,愛因斯坦完成了他的新理論:廣義相對論。他大規模地改寫了狹義相對論,明確地考慮了重力的效應,延伸了狹義相對論的適用範圍。 廣義相對論異於牛頓理論的眾多內容之一是糾正了牛頓的萬有引力定律,即重力是瞬間傳遞的:根據廣義相對論,引力與光波類似,都是以波動的方式在空間中傳播,並且是以光速行進,因此遵守相對論的速度限制。諷刺的是,儘管得出一個令人滿意、而且能完整描述出重力波的傳播方式,是愛因斯坦最初在發展廣義相對論時的一個重要驅力,重力波卻是廣義相對論中最後一個獲得實驗證實的理論。由於在驗證這個理論上做出了「決定性的貢獻」,索恩獲頒二○一七年的諾貝爾物理學獎。 牛頓以一個想像的力來解釋行星在軌道上運行,以及物體掉落的原因,他稱之為重力。物體之間存在著重力,彼此互相吸引,使得運動的軌跡偏離原本的「自然運動」;牛頓宣稱直線是物體運動的自然狀態。愛因斯坦向我們展示,這只是一個近似的圖像。如果我們以不同的方式來描述重力的現象,還有一個更為深層的真理存在。 根據愛因斯坦所言,物質與能量之間的相互吸引並不是憑藉力的作用。相反地,它們會引起空間彎曲,而這個空間的曲率會反過來決定物質該如何移動,以及能量該如何傳播。物質作用在時空曲面上,同時,時空曲面也作用在物質上。正是這個反饋迴圈,讓廣義相對論的數學變得相當困難。為了要發展這套理論,愛因斯坦必須學習並掌握一套當時還相當晦澀、專門討論彎曲空間的數學領域,稱為非歐幾里得幾何學(non-Euclidean geometry)。在艱苦奮鬥的十年歲月裡,愛因斯坦必須一再地嘗試錯誤,不斷地猜測理論可能出現的形式,計算每一個可能理論所導出來的結果,並批判它自己的想法,藉此打造完美的廣義相對論。 在一般情況下,牛頓的理論提供一個很好的近似解,這也是為什麼數百年來,沒有人注意到它的缺點。但是在高速度,或是物質與能量在高度集中的情況下,也就是在重力極大的情況下,牛頓的理論便失效了。 今日,狹義相對論已廣泛應用於物理的許多領域。然而,理解廣義相對論所需要的情境,仍然相當有限。其中兩個最重要的現象就是黑洞與宇宙的起源。數十年來,這兩個現象對於實驗來說,似乎顯得遙不可及。一般認為,早期的宇宙因距離我們過於久遠,很難研究出什麼有意義的成果;至於黑洞,則是由愛因斯坦自己把它否定掉,認為黑洞只是一個數學上的奇異點,而非自然界中真實存在的物理現象。結果,在愛因斯坦一九一五年發表廣義相對論之後的半個世紀,這些想法大都被忽視,而廣義相對論也就像科學界裡一攤安靜的死水,死氣沉沉。 其他物理學家的想法,並沒有讓霍金卻步。事實上,他的第一本書,就是與人合著的大部頭巨著《時空的大尺度結構》(The Large Scale Structure of Space-Time),在書中,他花了很多篇幅討論彎曲的空間,以及描述這個空間所需的數學方法。我在大學時就讀過這本書的一大部分,也覺得很有趣,這真是一本引人入勝的書,讓人忍不住想翻到下一頁,不過,前提是你得翻得很慢──理解消化一頁的內容可能得花上你一個小時,甚至是更長的時間。 黑洞與初期宇宙是讓霍金著迷的兩個主題,這兩個系統的物理學也成了他主要的研究領域。他早期的工作產生了很大的影響力,為喚醒沉睡已久的廣義相對論,指引了方向。再者,相對論與量子論之間一直有著難以相容的隔閡,霍金稍後在這個問題上的一些發現,催生了一門新的領域,我們現在稱為量子重力論。 霍金一生致力於探索這些觀念與現象。他向世人展示它們的相關性,他從未停止從中再發掘出新的發現。當他決定要寫《大設計》時,他已經在這些問題上,思考並努力奮鬥了四十年的時間。對於他剛踏入研究生涯時的那些最為棘手的問題,例如宇宙是怎麼開始的?為什麼只有一個宇宙存在?以及為什麼物理定律會是它們現在的這個模樣?霍金覺得他終於弄懂了這些難題,而我們一起撰寫《大設計》的目的,就是為了要解釋他的這些答案。
我不是個手腳笨拙的呆頭鵝,但在我於二○○六年第一次到達劍橋時,我的確有點手足無措。那年夏天,霍金六十四歲,雖然,他生命中的許多場景,在細節上與那部關於他的好萊塢電影有些出入。但是關於劍橋的細節,卻非常接近我看的另一部電影:《哈利波特》。劍橋就像是霍格華茲魔法學院(Hogwarts)。或許外圍的市郊,魅力比較小,歷史感也較少,但其實我探險的區域不大,很少遠離牛頓所熟悉的「老劍橋」:一個四處充滿了石砌的街道與建築的地方。這裡是大學主校區的所在地,也夾雜了一些中世紀的教堂與墓地。幾片世紀前就建好的高牆,用來保護學生免受鎮上居民的打擾,市區步道狹窄,還有一些狹小的磚砌巷弄,整體就像煮熟的義大利軟麵條,雜亂無章。 這個沒有整體計畫,毫無規則的城市布局,其實不難理解,因為這所大學成立的時間,比笛卡兒(René Descartes)發明簡潔的直角座標系還要早了八百年。然而,這個「老」字,只是一個相對的說法:因為早在史前時代,就有人住在劍橋這裡了。今天,劍橋大學是由三十一所半自治的學院所組成,整個都市有超過十萬名居民。 若說劍橋看起來像是霍格華茲魔法學院,但其實二者還是有本質上的不同。在這裡所發生的是「真實的魔法」。這裡有座庭院,牛頓曾在裡面跺腳,並測量聽到回音的時間;有一間實驗室,是由解開電與磁之間謎題的馬克士威(James Clerk Maxwell)所建立,湯姆森(J. J. Thomson)在裡面發現到電子;有家酒吧,是華生(Watson)與克里克(Crick)常去喝啤酒、討論基因學的地方;有棟建築,是敲開原子神祕結構的拉塞福(Ernest Rutherford),曾經小心翼翼地做實驗的地方。 在劍橋,他們的確有值得驕傲的科學傳統,對於牛津這所較為人文取向的大學,則是他們口中的「另一所學校」。霍金所屬的學系系主任,與霍金一樣,都是牛津的大學部畢業生,他對我回憶道:他們在牛津時,教授所給的作業是以科學議題來寫論說文(essay),而不像一般的求解習題。他來到劍橋之後,也曾給學生出過論說文的作業,但卻沒有半個人繳交作業。這群學生都是那種最典型的理工科學生,如果他們命中注定要得諾貝爾獎的話,也絕對不會是文學獎。 在我的訪問期間,霍金把我安排住進他所隸屬的岡維爾與凱斯學院(Gonville and Caius College),凱斯學院成立於十四世紀,是劍橋大學最傳統的學院之一。在我到訪的第一天,我決定從那裡走到霍金的辦公室。雖然我只花了二十分鐘,但是走在大太陽底下,再加上潮濕悶熱的氣候,還真叫人不習慣。霍金非常喜歡加州理工學院位於南加州的冬天,因為在那裡,他的肺部比較不容易受感染。另外,他恨透了冰冷的劍橋冬天。而現在,我也了解到,劍橋的夏天也不怎麼討人喜歡。英國人之所以會一天到晚抱怨他們的天氣,看來不是沒有理由。 待我終於走到數學科學中心(Centre for Mathematical Science,縮寫為CMS)時,我已經準備好要待在室內了。霍金的辦公室就在這裡面,但是卻不知道在哪裡。數學科學中心由七座分館組成,以拋物線形狀排列。分館由磚頭、金屬與石頭所建成,有很多大型的窗戶,以及一種充滿未來感、看似日本寺廟的風格。我喜歡這些窗戶,而那裡有好多這種窗戶。這個中心的建築得過很多設計獎,但是,我最希望看到的設計是能有個箭頭,上面標示著「史蒂芬.霍金,由此進」。 霍金所在分館緊鄰牛頓研究所(Isaac Newton Institute),這是一棟稍舊的建築。當你認識霍金之後,牛頓的名字就會常常出現。人們甚至拿他與牛頓相提並論,諷刺的是,霍金其實並不喜歡牛頓。在他掌權的那些年裡,牛頓常因為一些瑣事而和許多人起過爭執,由於他的小心眼,所以使了很多陰謀詭計來報復。他完全不會與人分享自己的發現,甚至不會歸功給任何對他想法有正面影響的人。他也是一個完全沒有幽默感的人。牛頓有一位助理也是他的親戚,據他說,在他擔任助理的那五年,他只看牛頓笑過一次,那是當有人問牛頓為什麼人們需要學歐幾里得的時候。我讀過一些關於牛頓的傳記,雖然每一本的書名都不一樣,但是其中任何一本的書名也都可以改成「牛頓:真是個混蛋」(Isaac Newton: What an Ass)。 比起牛頓的個性,更讓霍金印象深刻的是,他覺得在中學時所學的牛頓力學很無聊。「發現」才是會讓科學家感到興奮的東西——觀察到別人從未看過的行為或現象,或是了解了一樣從來沒有人理解過的道理。然而,由於牛頓定律明確地描述了日常生活裡的現象,再加上這些定律已經有好幾百歲了,所以高中物理裡的力學,並沒有什麼新鮮感可言。在高中物理的課堂上,老師會以牛頓定律來描述單擺運動,或是預測撞球碰撞前後的速度變化。對霍金而言,這些課程看起來像是「有趣的人在打撞球﹔物理學家則把打撞球寫成方程式」(Fun people play billiards; physicists write equations for it.)。因此,在霍金早期的學校教育裡,他對物理是不怎麼有耐心的。相反地,他喜歡化學多一點。因為,不管是以前還是現在,總會有東西在化學課裡爆炸。 霍金所在的分館是應用數學暨理論物理學系(Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics)。當大家親切地以這個系的首字母縮略詞(DAMTP,最後的字母P不發音)來稱呼它時,DAMTP講的就是聞名世界的「史蒂芬.霍金的那個系」(Stephen Hawking’s university department)。 霍金所在的那棟建築只有三層樓,樓梯圍繞著電梯井而建。我爬著樓梯走上二樓。輪椅可在整棟建築裡通行無阻。在那之前,霍金常因此不方便而惱怒。這是讓霍金喜歡加州理工學院的另一個理由。當他於一九七四年接受到加州理工訪問研究一年的聘約時,整個大學為了歡迎他的到來,特別把整個校區翻修成無障礙空間。考量殘障人士出入的種種設施,一直到《美國身心障礙法案》(Americans with Disabilities Act)於一九九○年通過之後,才成為公共設施的基本要求。 我爬到頂樓,一左轉就看到霍金的辦公室大門。門是關著的。我不知道這代表著什麼意思,不過,稍後我很快就知道了。站在那裡,我開始覺得有點緊張—我第一次要走進他的「王國」。 在我朝著霍金的辦公室走過去的時候,這座宮殿的侍衛走出來把我攔住。她是茱迪絲(Judith)。霍金的辦公室在大樓的角落,而她的辦公室就在隔壁。她把我擋在霍金的辦公室門之前。茱迪絲大約五十多歲,身材強壯,個性也跟體型一樣要強,看起來有點嚇人。她年輕時曾在斐濟工作過四年,是藝術治療的先驅,該療法用來替代原本對待精神病罪犯的電擊治療方法。她曾有一位病人是親手砍了他自己父親的腦袋。只有短短的幾個星期,她就能讓這位病人用蠟筆來畫棕櫚樹。我想,她能處理這樣的病人,處理我應該是絕對沒問題。 「你是雷納(Leonard)?」她問。她的聲音很有力。我點了頭。她說:「很高興見到你。」「只需幾分鐘,霍金在沙發上。」 霍金在沙發上?這是什麼意思?我會在沙發上小睡或看電影。然而,我不認為這是霍金正在做的事。不過,我覺得若是問出口,應該是不太禮貌,所以我就點點頭,好像等待一位在沙發上的大科學家是一件很正常的事。 雖然我和茱迪絲是第一次碰面,但是我們之前有過很多電子郵件的往來,也通過電話。我知道她在霍金的宇宙裡,扮演著很重要的角色。當你要和霍金約時間碰面時,她是那位決定霍金有沒有空的人。當你撥電話給霍金時,她是那個接起電話,然後把(或不把)電話遞給霍金的人。當你寫信給霍金時,她是那位決定要不要轉交這封信的人,如果是封重要的郵件,她則是那位把信讀給霍金聽的人。我聽說她唯一被打敗的一次,是霍金在南非要去見曼德拉,這位霍金心中非常景仰的政治家時。當時的曼德拉約是九十歲。他是個完全跟科技沾不上邊的人,而且不知為什麼,他很驚訝霍金竟然讓電腦幫他說話。當時,曼德拉的狀態也不太好,身體很虛弱。「他有點要過去了」是霍金對曼德拉的描述。這件事有點諷刺,因為當天霍金也不好過,他差點就無法出席那個約會。然而,作為隨行人員之一的茱迪絲自己倒是很希望能與曼德拉見上一面,因此當她看到霍金出門赴約時,她也搭上便車跟著霍金與他的看護人員一起過去。然而,曼德拉有他自己的「茱迪絲」,名字叫作賽爾達(Zelda)。當霍金一行人被引導著走向曼德拉的房間時,賽爾達走過去攔住了茱迪絲。她決定,對一個老人而言,這一群人太多了,所以她不讓茱迪絲進去。賽爾達擋駕了這位「擋駕人」! 我母親曾說過「有志者事竟成」,她說過很多名言諺語,但這句話真的有道理。事實上,每個安全系統都有它的漏洞,霍金的也不例外。它有一扇後門。你如果知道哪一個電子郵件地址是霍金留給朋友,而且是他自己會檢查的,那麼你就能繞過茱迪絲,自己聯絡上他。問題是,你通常不會收到回信。即使是索恩,這位與他有幾十年交情的好朋友,也說他收到回信的機率只有一半而已。沒有收到回信,並不表示他沒有讀你的信,不過,你也無法確定究竟是「已讀不回」還是根本就沒收到。假設他讀了你的信,那麼決定你是否會收到回信的因素,不在於這個議題對你有多重要,而在於對他有多重要。以每分鐘六個字的溝通速度而言,他必須妥善選擇「施捨」回信的對象。 茱迪絲也可能幫得上忙,如果她是站在你這邊的話。寫電子郵件的時候,也複製或轉貼一份給她。她會印出來,走進霍金的辦公室,然後念給他聽。萬一他懶得回覆的話,她還會逼著他回信。又或者是,如果我需要跟他說話,我會撥電話給她,然後她會去坐在他旁邊,把書桌上電話的免持話筒打開。在另一面,如果她決定比起跟你溝通,霍金有更重要的事要忙,那麼無論你何時撥電話,霍金都不會有空接聽。在我們簡短地聊了幾分鐘之後,她的電話響了。茱迪絲要我繼續坐在她的辦公室裡稍等一下,然後她便走進霍金的辦公室。很快地,她便再次現身,走向我。這個時候,他的門打開了。