好讀推薦: 時間簡史

Posted By Mr. Thursday

時間簡史》是一本有關天文物理的一本科普書籍,是由劍橋大學的史蒂芬‧霍金教授所寫。這本書是著用一般大眾可以了解的詞句和概念,來介紹天文物理學重要的議題,包括愛因斯坦相對論對於時間空間的看法,組成宇宙的基本粒子,宇宙特殊現象,譬如說黑洞和大爆炸等等。書本裡面沒有複雜的數學和物理公式,因為出版商和霍金說,每多一個公式,讀者就會少一半,因此整本書只有一個數學公式,是愛因斯坦有名的質能互換公式 E = mc^2 。

也許我們會覺得,宇宙的起源,時間的理論,大爆炸、黑洞、和夸克基本粒子這些東西,似乎都距離我們太遙遠,即使這是一本科普書籍,對我們生活似乎沒甚麼影響,也和生活沒有很大的相關。那麼我舉個例子來引起閱讀動機好了。我們也許都會認得我們的父母,會懂得在母親節祝福自己的母親母親節快樂。

圖1 史蒂芬‧霍金 (Stephen Hawking)

對於酵母菌來說,他可能沒有所謂父母的概念,也沒有追本溯源的概念。人類除了會記得父母,還會透過家譜,溯源自己的祖先,祖父母,甚至最早的祖先從哪邊來。人類以外的動物,或許會記得自己的父母,但是對祖父母可能就沒有這種概念。除此之外,人類除了父母,祖父母,甚至還想知道自己是哪一個人種,是哪一種原始人化石的後代,最後可能還想知道自己可能是從哪一種動物演化而來。

也因此,我們用同樣的思考方式,也會思考,時間往前不斷推進,是否有一個時間的起點?時間的起點如何產生?如果有時間的起點,有空間的起點,在起點之前是甚麼東西存在?我們的宇宙是否無窮無盡的延伸下去?還是有個邊界?如果有個邊界,那邊界外面是甚麼東西?如果我們願意思考這些問題,就是人類追本溯源精神的一種展現了!

然而要得到這些問題的答案,或許有不同的方法。宗教可能有這些問題的解釋,科學上,則是有物理學的方法,作一些天文物理的研究。如果我們本身並不是專長物理,是個門外漢,沒關係,這本科普書籍《時間簡史》就是一本讓我們快速補充有關宇宙起源科普知識的一本好書!

稍微簡介過這本書以後,或許各位讀者平常上課或是工作還是很忙,可能來不及閱讀這本書,或是手頭拮据,不大有錢買書,沒關係,筆者在網路上找到了史蒂芬霍金在浙江大學的演講,同時有英文和中文翻譯,在網路上可以存取,在這邊就先貼個連結給各位,讓各位可以用聽演講的方式先略窺一二:

http://school.ecp.com.cn/downloads/zt/hawking1.rm
http://school.ecp.com.cn/downloads/zt/hawking2.rm
http://school.ecp.com.cn/downloads/zt/hawking3.rm

另外考慮到有的讀者可能連聽演講的時間都不大夠,因此我也在下面把演講重點用筆記的方式寫下,讓各位可以用比較快的方式先粹取一些精華部分,有空的時候再慢慢收看上面演講的連結。

演講標題為〈膜的新世界〉(A Brane new World),講解了霍金想要解決的問題:宇宙的起源。首先他提到時空是彎曲的,可以從廣義相對論和GPS資料或得證實。廣義相對論預言宇宙有個起點,就是所謂的大爆炸 (Big Bang),並且宇宙會在黑洞的地方形成終點。然而廣義相對論無法解釋宇宙的起點,因為這是量子力學 (Quatum Theory) 才會解釋的地方。

霍金於是想要提出一個大一統理論 (TOE: Theory of Everything),結合廣義相對論和量子力學,來解釋宇宙起點,物質、時間和空間如何產生出來。他提出一個膜的理論 (brane theory),認為除了我們所看見的三度空間和時間以外,還有額外維度 (dimension) 的存在。額外維度平常是極度扭曲的,因此我們平常看不到這些額外的維度,就好像一根頭髮在遠處看起來像是一條二維的線條,近距離觀察才會覺得頭髮是三度空間的物體。

額外維度能夠有甚麼樣子的新解釋呢?是在「電力」和「引力」上面有所解釋。狹義相對論提出時間相對的理論,廣義相對論進一步把「引力」(gravity) 解釋成一種場 (field) ,就像是一個平面,如果中間凹陷,一顆球自然會往凹陷的地方滾動,看起來好像凹陷的地方有隻手把球拉過去,像是有一「力」,然而實際上應該是因為整個力場 (field) 是一個中間凹陷的形狀,才會有「引力」的現象。

額外維度理論認為,我們可以觀察到的三度空間維度,以及時間、質量、能量等物理量,是在一張膜 (brane) 上面,膜以外的地方,就是其他觀察不到的維度 (dimension)。「電力」會在膜上面,「引力」則是會擴散到另外一張膜上面。除此之外,「光」也只能在膜上面運動,因此要觀察我們居住膜以外的其他膜 (brane),是不可能的,因為光照不到。然而因為「引力」可以擴散到另外一張膜,因此即使沒有「光」的觀察,我們可以經由擴散的「引力」來感受到另外一張膜的存在,而這也就是我們所能觀察的「暗物質」。

然而在目前的實驗觀察下,電力和引力的衰減差異都相同,因此無法支持這個膜理論的假設。一種原因可能是因為膜和膜之間的距離太小,因此我們目前無法觀察出電力和引力之間衰減的極小差異,從而證實暗物質的存在,並進一步證實膜理論 (膜理論就是:引力會擴散到不同的膜,以及時空存在額外的維度dimension,額外維度和引力擴散可以解釋宇宙起點的形成方式,是一個結合廣義相對論和量子力學所形成的新理論)。

因此現在霍金想要觀察的東西,是短的引力波,而短的引力波要在小黑洞才觀察的到。霍金現在就是用粒子加速器,嚐試碰撞出小黑洞,並且要觀察小黑洞損失的質量,也就是小黑洞損失的短引力波,就可以證實剛才提出的膜理論,來解釋宇宙起源的物理現象。

史蒂芬霍金20歲的時候被診斷出得了肌肉萎縮症,然而他還是活下來了,並且用臉頰和眨眼的方式,透過電腦介面來講話和寫字。下面是一段他在TED2008的演講,約10分鐘。

最後貼上書本的封面讓各位可以方便找書:

相關連結

演講連結

http://school.ecp.com.cn/downloads/zt/hawking1.rm
http://school.ecp.com.cn/downloads/zt/hawking2.rm
http://school.ecp.com.cn/downloads/zt/hawking3.rm

喜歡這篇文章嗎? 分享出去給作者一點鼓勵吧!
  • Pingback: 一周好讀結束 - MMDays()

  • http://blog.sina.com.tw/verklarung 維克拉倫

    不好意思, 只是有一些疑義。文中所謂「他提出一個膜的理論」之類的用語, 或易使人誤解霍金為此類理論的創始者, 實則他最主要的創新理論還是在「霍金幅射」等黑洞的演進理論上。

    「霍金於是想要提出一個大一統理論 (TOE: Theory of Everything)」, 「大一統理論」(GUT, Grand Unified Theory)已為物理學上的一個既成理論, 是統一電磁力、強力和弱力三種基本力的理論。而包括霍金在內的理論物理學家想導出來的終極理論(theory of everyghing), 則要求進一步將那三種力與引力給統合在一起。GUT 所處理的仍屬量子力學的範疇, 所以有人調侃謂之「大一統理論一點都不大, 且也沒有一統」, 記得在《時間簡史》一書中都有提及。

    霍金也非實驗物理學家, 所以加速器的實驗構想, 有待其他人來做。大概可以肯定的一點是, 若愛因斯坦是廿世紀最偉大的科學家, 那若有人能提出可完整驗證的終極理論, 應該可被譽為新世紀最重要的物理大師了。

  • http://blog.sina.com.tw/verklarung 維克拉倫

    不好意思, 只是有一些疑義。文中所謂「他提出一個膜的理論」之類的用語, 或易使人誤解霍金為此類理論的創始者, 實則他最主要的創新理論還是在「霍金幅射」等黑洞的演進理論上。

    「霍金於是想要提出一個大一統理論 (TOE: Theory of Everything)」, 「大一統理論」(GUT, Grand Unified Theory)已為物理學上的一個既成理論, 是統一電磁力、強力和弱力三種基本力的理論。而包括霍金在內的理論物理學家想導出來的終極理論(theory of everyghing), 則要求進一步將那三種力與引力給統合在一起。GUT 所處理的仍屬量子力學的範疇, 所以有人調侃謂之「大一統理論一點都不大, 且也沒有一統」, 記得在《時間簡史》一書中都有提及。

    霍金也非實驗物理學家, 所以加速器的實驗構想, 有待其他人來做。大概可以肯定的一點是, 若愛因斯坦是廿世紀最偉大的科學家, 那若有人能提出可完整驗證的終極理論, 應該可被譽為新世紀最重要的物理大師了。