黑洞戰爭:我與史蒂芬・霍金的理論之戰,力保量子力學安全無虞
特價 新品

黑洞戰爭:我與史蒂芬・霍金的理論之戰,力保量子力學安全無虞

The Black Hole War: My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics

李奧納德・瑟斯坎

大石文化

2024/02/20

中文

9786269827145

定價 $699

79折優惠價 $552(優惠期限至9999/12/31)

內容簡介

《洛杉磯時報》圖書獎
《華盛頓郵報》與《新科學人》年度最佳圖書


繼理查・費曼之後最會說故事的物理學家瑟斯坎,以外行人都能理解的清晰比喻,解釋相對論、量子力學、弦論和黑洞理論,寫下近代理論物理學最重要的一役。

史蒂芬・霍金結合重力場論與量子場論的顛峰成就,導出「資訊會在黑洞蒸發過程中遺失」的悖論,威脅到整個自然律的根基。弦論創始人之一瑟斯坎於是與霍金展開了這場歷時二十多年的理論之戰。

※專家推薦(以姓氏筆畫排序)
孫維新/國立臺灣大學物理系及天文所教授,《科學人》雜誌總編輯
高涌泉/國立臺灣大學物理系教授
陳丕燊/臺灣大學梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心榮譽創所主任暨臺灣大學梁次震宇宙學特聘講座教授
程之寧/中央研究院數學研究所研究員,國立臺灣大學物理系合聘教授
葉振斌/國立東華大學物理系副教授

原來宇宙是個全像圖?
弦論學家為了指出霍金的偉大「錯誤」,發現物理史上最驚人的原理。

《黑洞戰爭》是當代最重要理論物理學家之一瑟斯坎的回憶錄,描述他參與一場關於黑洞本質辯論的持久戰的完整歷程,對手則是全球最知名的物理學家霍金。

霍金原來基於廣義相對論,主張資訊一旦進入黑洞就被永遠銷毀,無法找回;但根據量子力學,資訊必須守恆,不能消失。瑟斯坎立刻意識到如果這是對的,我們對於宇宙基本規律的理解都必須拋棄──要麼資訊遺失,量子力學需要徹底重建,要麼就是廣義相對論在黑洞視界附近出了很根本的問題。於是,瑟斯坎向霍金的這項「黑洞資訊悖論」宣戰。

《黑洞戰爭》描述的就是這場史詩級論戰。作者瑟斯坎是弦論創始人之一,在書中將畢生所學傾囊相授,深入淺出地剖析參戰雙方的一招一式,重現了現代物理學兩大支柱這場重大一戰的來龍去脈與完整實況。為了讓霍金承認錯誤,瑟斯坎和荷蘭物理學家特霍夫特,以數學證明了一項連怪異都無法形容的物理學理論:物質宇宙的一切,包括這本書、你的房子,還有你,其實都是來自宇宙視界邊緣的全像投影。

全像原理是近五十年來物理學上最具革命性、最重要的物理學理論,它的成功,使物理學界對黑洞訊息遺失的看法得到扭轉,成為調和量子力學與廣義相對論的重大里程碑。最終霍金在2007年正式承認錯誤。

瑟斯坎在書中提供大量詳盡的第一手資料,生動地刻畫出全球頂尖理論物理學界內部亦師亦友的交流現場,以及面對科學原理的真正歧見時不惜針鋒相對,毫不妥協。不論是對物理學思想,還是物理學故事有興趣的讀者,都絕不能錯過這本精采而重要的科普著作!

 

看更多 收起

作者介紹

李奧納德・瑟斯坎(Leonard Susskind)
史丹佛大學理論物理學布洛赫(Felix Bloch)講座教授,美國國家科學院(NAS)和美國人文與科學學院(AAAS)院士,弦論創始人之一,著有《宇宙的地景》(The Cosmic Landscape)。


畢馨云(譯者)
清華大學數學系畢業,曾任科普書編輯十餘年,現為自由譯者。

譯有《費波那契的兔子》、《這才是數學》、《科學酷媽的育兒大探險》、《邏輯的藝術》、《生而為人的13堂數學課》、《悲傷幾何學》、《祕密通訊女神──斜槓發明家海蒂‧拉瑪》等。

看更多 收起

目錄

前言
第一部 風雲變色
1 第一槍
2 暗星
3 不是老祖宗的幾何學
4 「愛因斯坦,別指示上帝該做什麼」
5 普朗克創造了更好的衡量標準
6 在百老匯的酒吧裡
7 能量與熵
8 惠勒的子弟兵(或:黑洞裡可以裝進多少資訊?)
9 黑光

第二部 突襲
10 霍金的資訊是怎麼遺失的,又不知從何找起
11 荷蘭抵抗運動
12 誰會在意?
13 僵持不下
14 阿斯本的小衝突

第三部 回擊
15 聖巴巴拉之役
16 等等!把重接好的神經迴路還原吧
17 亞哈船長在劍橋
18 宇宙是個全像圖

第四部 縮小戰線
19 大規模推論武器
20 愛麗絲的飛機(或:可看見的最後那個螺旋槳)
21 數黑洞
22 南美戰勝
23 核物理?你在開玩笑吧!
24 謙卑

後記
謝誌
名詞解釋

 

看更多 收起

序/導讀

【推薦序】
葉振斌,國立東華大學物理系副教授

黑洞資訊問題是量子力學和廣義相對論之間產生的矛盾,而這兩個理論都有數學上的美妙架構,和無懈可擊的實驗證據支持,因此要修正任何一方都是很困難的,也更難相信我們大自然會由無法相容的零件拼湊而成。

因此在1970年代霍金提出此問題,認為黑洞在輻射的過程中違反量子力學原則後,就吸引了許多極為傑出的理論物理學家的關注,包括了本書的作者瑟斯坎,他認為量子力學的原則是對的,而在重力效應重要的黑洞,像霍金一樣用粒子的場來描述這世界的基本組成是不合適的,因此便開始了這場「黑洞戰爭」。

瑟斯坎是理論物理學家,也是個說故事高手,事實上他寫學術文章的方法也像在說故事一樣,正如他和學生的討論方式,並不是像大家想像中的物理學家那樣充滿數學推導和計算,而是大部分時候像在聊天,偶爾畫些圖,物理學家稱這樣的研究方式為「思想實驗」。愛因斯坦就是思想實驗的箇中好手,這是在臺灣受基礎科學訓練出來的人很難想像的,我們的教育缺乏的,正是這種從看似瑣碎零星的線索中分析歸納出背後真理的想像力,在本書中便有許多這樣的示範。

另外雖然在瑟斯坎的書中似乎以一方認輸結束了這場戰爭,不過其實這場戰爭還在持續著,甚至因為結合了量子計算的發展而變得更加火熱,在這本書原文出版(2008年)之後,黑洞資訊問題有了一個新的轉折,那就是「黑洞火牆」悖論的發現,因此讓許多理論物理學家回頭過來想,弦論、全像原理、互補原理就足以拯救量子力學嗎?更甚者,就算霍金認輸了,可是至今還沒有任何一位物理學家可以明確的指出,霍金的計算到底是那裡出錯了。


註:筆者在2005-2009年為瑟斯坎的博士班指導學生

※媒體與學者讚譽
「這本書成功地以外行人能理解的方式解釋了這個主題……書中包含了豐富的軼事,充分展現了〔瑟斯坎〕的機智和說故事的能力。」──尚・卡羅(Sean Carroll),理論物理學家,《潛藏的宇宙》作者

《華盛頓郵報》:「《黑洞戰爭》是把黑洞天文物理學的怪異世界講解得最淋漓盡致的書。加上你還可以看到一群真正的科學家如何解決一個基本的物理問題,這些正是造就一本好書的必要條件。」──詹姆斯・特菲爾(James Trefil),美國物理學教授,科普作家

《時代》雜誌:「你可以認為這場戰爭只是兩個書呆子在吵架,沒什麼好看的,但這樣你就沒機會了解瑟斯坎解釋宇宙為什麼是個全像圖。」──列夫・格羅斯曼(Lev Grossman),美國小說家,《時代》雜誌首席書評

《洛杉磯時報》書評:「這是一個科學家以邊緣策略打一場理論戰的故事……《黑洞戰爭》充滿了對話的溫度,彷彿瑟斯坎和我們同桌用餐,席間講述許多大科學家的故事,讓大家聽得津津有味。霍金和費曼先後出場,展現傳奇人物的風範……而且瑟斯坎使用我至今看過最厲害的視覺化隱喻,說明了弦論的多重維度,光為了這一點就值得你買這本書。」──傑西・科恩(Jesse Cohen), 科普作家

加拿大《環球郵報》:「瑟斯坎以非常高明的手法,把無比複雜的相對論、量子力學、弦論和黑洞理論舉重若輕地解釋出來,彷若無物地穿梭在微觀和巨觀世界之間。」──席拉・瓊斯(Sheila Jones),理論物理學者,科普作家

明尼亞波利斯《明星論壇報》:「瑟斯坎優異地涵蓋了一片非常驚人的領域,從愛因斯坦的相對論到熱力學定律,再到弦論宇宙學背後的奇思妙想。論戰終於結束時,讀者不但享受到一場豐富的物理學饗宴,也對這門科學有了紮實的認識。」──黛博拉・布魯姆(Deborah Blum) ,美國科學記者

《自然》期刊:「《黑洞戰爭》鉅細靡遺地敘述了這場歷時悠久然立意良善的論戰。瑟斯坎巧妙地說明了這個物理學議題背後的深奧細節,間而穿插趣聞軼事,使專業問題讀起來興味盎然。」──保羅・戴維斯(Paul Davies), 亞利桑納州立大學理論物理學教授

《新科學人》雜誌:「瑟斯坎是一位樸實無華、氣定神閒、言談風趣的導遊,帶我們置身理論物理學令人興奮的第一線戰場。」──亞曼達・蓋夫特(Amanda Gefter), 科普作家

《物理世界》月刊:「瑟斯坎和理查・費曼一樣,都對講述趣聞軼事很有一套……《黑洞戰爭》的成功展現在兩個層面:其一是以絕佳的說故事技巧寫成了一本引人入勝的回憶錄,其二是對某些難以捉摸但十分迷人的科學觀念做了令人嘆服的介紹。」──約翰・普瑞斯基爾(John Preskill),加州理工學院理論物理學教授

《紐約時報》書評:「燒腦的傑作……完全改變你對宇宙的認知……對於這些令人頭暈的觀念,大概沒有人能比瑟斯坎解釋得更清楚了。」──喬治・強森(George Johnson), 科學記者

【導讀】
科學典範的嬗遞《黑洞戰爭》導讀

陳丕燊/國立臺灣大學 梁次震宇宙學粒子天文物理學研究中心
眾所週知,物理學在20世紀發生了兩大革命:相對論與量子力學。前者是由愛因思坦(又譯愛因斯坦)單獨創造完成的。他在1905年提出了狹義相對論,把千百年來人類對於時間與空間互相獨立及絶對性的概念打破,讓人們了解到時間與空間的一體性──「時空」(spacetime)的概念因而誕生,他並且告訴我們,時鐘走的快慢及尺度的長短不是絕對的。

十年後,愛因思坦在1915年發表廣義相對論,進一步把重力現象和時空的扭曲劃上等號。這是人類從牛頓以來對宇宙認知的最大改變。另一埸科學革命──量子力學──雖然起始於1900年普朗克(Max Planck)基於解決黑體輻射的數學需要,但真的主張光是由一顆顆「量子」(quanta)所構成(如今我們稱它為「光子」(photon))的人是愛因思坦(也是在1905年)。

量子力學雖然是由他與普朗克所發起,但最終版則是由20年後的一群後起之秀,特別是海森堡(Werner Heisenberg)、薛丁格(Erwin Schroedinger)等人所完成。量子力學極為成功的解釋並預測各種微觀世界(原子、核子、基本粒子)的物理現象,但更重要的是,它建立在「機率」的概念上,最有代表性而且具象化的說明就是海森堡的「測不準原理」(Uncertainty Principle)。有別於傳統物理學建基於決定論(determinism)的認識論(epistemology),量子力學主張物理反應機制在本質上就是測不準的,而量子力學的方程只能預測事件發生的機率。這些推翻傳統思維的革命性概念,都是著名的科學哲學家湯瑪斯・孔恩(Thomas Kuhn)所強調的「科學典範嬗遞」。

必須指出的是,百年以來相對論與量子論早就廣泛應用在我們的日常生活之中。沒有相對論,就沒有精確的衛星定位系統,而沒有量子力學,就沒有半導體晶片、電腦、手機,更別說量子電腦了。換句話說,物理學革命,或是科學典範的嬗遞,並非只是一種形上學的不同品味。正相反,相對論與量子力學的典範轉移使我們對宇宙自然的描述與預測更為精確,應用更加廣泛。

孔恩在1962年發表了他的名著《科學革命之結構》(Structure of Scientific Revolutions),書中他反駁一個科學史學界長期以來的錯誤觀念,強調歴史上科學思潮的改變並不是每天逐漸在發生的。正相反,科學的發展總是在長時期中尊循某一個已經為眾所接受的典範(paradigm),持續用它來分析新的實驗、解釋新的現象,直到它出現裂痕。

一開始,科學家們典型的反應就是試圖修改既有典範的細節,但如果無論如何修改,既有的典範都不能自圓其說的時候,真正的科學革命就發生了,它以全然不同的概念來成功的詮釋自然,不但相對論、量子力學如此,牛頓的萬有引力、馬克斯威(又譯馬克士威)的電磁埸理論也都是歷史上的科學革命與典範的嬗遞。有趣的是,孔恩的主張本身也成了科學哲學(philosophy of Science)的新典範。半個多世紀以來,它不只影響了哲學家,也影響了無數的物理學家。譬如諾貝爾獎得主史蒂芬・懷恩伯格(Steven Weinberg,又譯溫伯格)就自謙他的電弱統一埸論(Electroweak Unification Theory)並非孔恩意義下的科學革命,而比較像歷史上英國克倫威爾(Oliver Cromwell)的光榮革命(Glorious Revolution)。我之所以會如此不厭其詳的解釋這些,正是因為《黑洞戰爭》一書的作者列尼・瑟斯坎(Leonard Susskind,坊間又譯色斯金、蘇士侃)(之前我在史丹福大學的同事),雖然沒有明言自己是孔恩主義的信徒,但是他在這本科普書中所要傳達給讀者的最關鍵訊息,就是在20世紀末曾經又發生了一次科學典範的嬗遞。

這裡需要強調,科學的典範革命只偶爾發生過幾次,在歷史的長河中多半的時候,科學家們都是承襲當時的典範做理論的計算與實驗的量測的。這和政治及社會的演化過程十分相似,譬如1789年的法國大革命及1917年的蘇維埃布爾雪維克共產革命,也都是數百年才會發生一次的。

物理學界有一個非常光榮的傳統,那就是做出過歴史性發現或大宗師級的物理學家,願意花自己寶貴的時間來撰寫科普書籍,和社會大眾分享科學最前沿且令人振奮的發展。從20世紀上半葉的愛因思坦、海森堡、薛丁格,到下半葉的霍京(又譯霍金)、羅哲爾・潘若斯(Roger Penrose)、馬丁・瑞斯(Martin Rees)等等,不一而足。而其中最膾炙人口的當屬霍京的名著《時間簡史》(A Brief History of Time)了。本書作者瑟斯坎是一位很有成就的理論物理學家,在過去50年對粒子物理及黑洞物理領域做出了許多貢獻,引領一代潮流,對物理學界有很大的影響。尤其是在黑洞「信息遺失悖論」(black hole Information Loss Paradox)這個論戰中,他提出了「全像原理」(Holographic Principle),終於戰勝偉大的史蒂芬・霍京(Stephen Hawking),奠定了他在物理學歷中的地位。

瑟斯坎承襲了這個科普寫作的優良傳統,寫過幾本可讀性極高的科普書,但其中以這本由創造歴史的本人來親自回顧黑洞戰爭的歷史,以生動、淺顯、幽默的筆法娓娓道來,可讀性極高。

《黑洞戰爭》全書除了前言與後記之外,共有24章,分為4部。在「前言」中,瑟斯坎用回顧的方式解釋一部科學史就是一個科學典範嬗遞的歴史,預告了本書的主旨。第一部「風雲變色」(The Gathering Storm)主要是在舖陳這場黑洞戰爭爆發前戰雲密布的氛圍,但作者先用跳接的方式從1983年黑洞戰爭爆發的第一槍說起(好像盧溝橋七七事變一樣),增加了故事的戲劇性效果。

這一年在舊金山的一個閉門會議中,1999年諾貝爾獎得主傑拉・特胡夫特(Gerard t’Hooft)及本書作者正式質疑霍京在1976年就已經提出的黑洞信息遺失悖論。但作者同時利用這個機會,向讀者用最淺顯易懂的文字解釋相對論及量子力學包括黑洞的基本概念,而這些都是該書之後需要用上的。值得一提的是,作者在這第一部中對狹義相對論的解釋是我所見過最深入淺出,而且最能讓讀者理解它的真諦的介紹。甚至他對廣義相對論的時空扭曲,以及黑洞與蟲洞(愛因思坦羅森橋(Einstein-Rosen Bridge))這些科幻電影裡常常出現的概念,也有很明確的解釋。作者對於量子物理現象,尤其是波粒二象性(wave-particle duality)的解釋也極為直觀易懂,這個議題在第一部就提出,其實也是為了瑟斯坎在黑洞戰爭最後致勝的概念預作舖路。第一部在結束前介紹能量與熵(entropy)的關係,這也是了解黑洞信息遺失的重要關鍵。其實不只是第一部,作者在全書中經常不厭其煩的例用「思想實驗」(thought experiment)深入淺出地解釋物理概念。

本書的第二部「突襲」(Surprise Attack)正式開始解釋霍京在1976年所發起的攻擊。他主張信息一旦穿越了黑洞的事件視平線(Event Horizon,又譯事件視界)就會永遠被摧毀,無法經由霍京輻射還原到黑洞外的世界,但這個主張嚴重違反了量子力學「信息守恆」的金科玉律。這裡作者提出了他在1983年第一次遭遇攻擊時的反應,為了保護量子力學,他想到四種可能性:1. 黑洞其實並不會蒸發,2. 黑洞蒸發到最後會剩下一個殘骸(remnant),3. 嬰兒宇宙(baby universes)導致黑洞不斷的繁衍, 4. 澡盆理論。

但這些可能性都被霍京預先想過並且一一駁回了。值得一提的是,在1983年爆發黑洞戰爭之後的六年中,戰況沒有太大的進展,而是處於一種膠著狀態。但是作者在一埸1988年在舊金山的科普演講中意識到問題的徵結,他自問,在面對霍京提出的挑戰時,廣義相對論的等價原理(Equivalence Principle)和量子埸論(量子力學的進階版)的信息守恆原理是否可以和平共存?本書的第二部結束前,作者描述1990年他和霍京在美國科羅拉多州阿斯本(Aspen)的一埸研討會再度相遇,但他在會議中對信息遺失悖論的分析反而使他看起來像是支持霍京的立場,在這次的阿斯本戰役中霍京得到了勝利。

第三部「回擊」(Counterattack)從1993年「聖塔巴巴拉戰役」的回顧開啟,這是黑洞戰爭(對瑟斯侃而言)發生後的十週年。為了一場在加州大學聖塔巴巴拉分校舉行的研討會中作出決定性的一擊,瑟斯侃和他的博士後、博士生一起想出了一個「黑洞互補原理」(Black Hole Complementarity),主張由於參考座標的不同,一個以自由落體方式掉進黑洞的A可以分毛無傷的穿越事件視平線,而懸在黑洞外的觀察者B卻認為 A被視平線周邊超高的霍京溫度燒為灰燼。不但如此,灰燼在視平線上立即被打散後重新以霍京輻射攜帶著A所有原有的資訊回到黑洞以外的世界來。正像澡盆裡滴進一滴墨水一樣,雖然它的資訊逐漸擴散到整盆水裡,但最後還是保存在蒸發的原子分子之中。

作者們主張,由於事件視平線的存在,A和B之間無法溝通,所以二者的不同認定:一生一死,是無從判斷正誤的,就像光的波粒二象性一樣,這是一物之兩面,是互補而不是非此即彼的。這樣的說法合理嗎?合邏輯嗎?的確,連作者都無法說服自己。即使無法讓眾家武林高手接受,瑟斯侃決定至少要讓大家知道自己有這種看似瘋狂的想法。

但令作者喜出望外的是,在會議結束前的一個「民意測驗」中,贊成黑洞信息不會遺失,而是隨著霍京輻射攜帶出來,持這個看法的物理學家有39位,而贊成霍京主張信息遺失的只有25位(贊成黑洞殘骸可以保存信遺的有7位),瑟斯侃終於第一次得勝。在此我必須強調,科學的真理是基於理論計算及實驗數據的實證結果,而不是投票的多數所能決定的,所以這種問卷調查只是科學家茶餘飯後的笑談而已。但認真的說,黑洞互補原理的確不夠成熟,還需要一個更具體的、由數學形式規範的指導原則。這個指導原則在本書作者1994年訪問劍橋大學及荷蘭烏得勒支大學(University of Utrecht)的特胡夫特教授之後終於有了一個重要的突破,這就是他們共同(或分別)發現的「全像原理」(Holographic Principle)。

全像原理主張一個系統的資訊並不是儲存在它的體積內,而是儲備在包含它的球面上。這就像光學的全像投影技術一樣的,透過雷射的干涉作用來拍攝一個三維空間的影像,然後把資訊儲存在二維的球面上,可以還原該物件的三維影像!換言話說,一個物理系統的資訊容量並不是正比於它的體積,而是正比於包圍它的球面積。一個讀者可能熟悉的例子是周杰倫曾經在某個演唱會中和由全像投影成像、栩栩如生的鄧麗君對唱。我相信您可以在網上找到這個鏡頭。

本書要說的故事終於到了收尾的階段。作者在第四部「縮小戰線」(Closing the Ring)中興奮的告訴我們他的最後勝利。作者先舉例說明歷史上科學典範的嬗遞常常是先有某位科學家提出令人訝異的非正統觀點來,然後其他的科學家進一步用更精確的數學方式證明它。作者以愛因思坦在1905年提出的光量子假說做例子,它直到20年後量子力學的最終成熟版出現後,才能夠圓滿解釋光的波粒二象性。另一個很好的例子是黑洞的熵。雅各・貝根斯坦(Jacob Bekenstein) 首先提出黑洞有熵的概念(這是一個熱力學的概念,完全在廣義相對論的範疇之外),這已經令人感到驚訝了,但更令人驚訝的是,他主張黑洞熵正比於黑洞的表面積(而不是體積)!……

(全文未完,詳見本書內容)

 

看更多 收起

內文試閱

前言
有太多東西需要深知,卻沒有什麼可從中深知的。——羅伯特・海萊因,《異鄉異客》

東非莽原上,有一頭年邁的母獅子在窺伺牠想獵得的晚餐。牠偏好年老、反應較慢的獵物,但年輕、健康的羚羊是牠的唯一選擇。羚羊敏銳的眼睛位於頭部兩側,非常適合眼觀四處,搜尋危險的掠食者。獅子的雙眼直視前方,非常適合鎖定獵物,判斷距離。

這一次,羚羊的廣角掃描器沒看見掠食者,而且牠就在對方的襲擊範圍內游蕩。獅子孔武有力的後腿一蹬,就撲向驚慌失措的受害者。永恆的競賽再度展開。

儘管受年事拖累,這頭獅子仍是優秀的短跑健將。起初差距縮小了,但獅子力大無窮的快縮肌逐漸缺氧。沒過多久,羚羊天生的耐力勝出,到某一刻,獅子和獵物的相對速度翻轉了;縮小的差距又開始拉開。察覺到命運逆轉的瞬間,獅子殿下自認失敗,潛回矮樹叢中。


五萬年前,有個疲憊不堪的獵人發現一個巨石堵住的洞口:要是他能搬開沉重的障礙物,就有個安全的安身處。這個獵人能挺直站著,跟長得像人猿的祖先不一樣。他用那種直立的姿勢,使勁推巨石,但巨石一動也不動。為了取得更有利的角度,獵人讓腳遠離大石一些。當他的身體幾乎呈水平時,施力在恰當方向上的分量會大得多。巨石移動了。

距離?速度?正負變號?角度?作用力?分量?獵人未受過教育的腦袋裡,進行過哪些十分複雜的計算,更不必說那頭獅子了?我們通常會在大學物理教科書裡初次遇到這些專門的觀念。那頭獅子從哪裡學會判斷獵物的速度,甚至相對速度?那個獵人修過物理課,學了作用力的觀念嗎?也學到三角學,會計算正弦值和餘弦值來算出分量嗎?

事實當然是,所有複雜的生命形式都有內建好了的、出於本能的物理觀念,這些觀念已經透過演化放進天生的神經系統中,#1沒有這個預先編寫好的物理軟體,就不可能生存下來。突變與天擇讓我們成為物理學家,甚至動物。人類腦容量大,就讓這些本能演變成我們意識層次上的觀念。

替我們自己重新接線
事實上,我們都是古典#2物理學家。我們憑本能感受力、速度與加速度。羅伯特・海萊因(Robert Heinlein)在科幻小說《異鄉異客》(Stranger in a Strange Land, 1961)中,發明了grok(深知)這個字#3,來表達對於某個現象有這種極為憑直覺、幾乎發自內心深處的理解。我深知力、速度與加速度。我深知三維空間。我深知時間和數字5 。石子或長矛的軌跡是可深知的。但當我嘗試把它應用到十維時空或101,000這個數字,甚至應用到充滿電子的世界和海森堡測不準原理時,我的內建標準規格深知器就故障了。

在20世紀之交,直覺大規模故障了;物理學忽然發現自己對完全陌生的現象感到困惑不已。亞伯特・邁克生(Albert Michelson)和愛德華・莫立(Edward Morley)發現偵測不到地球穿過假想以太(ether)的軌道運動時#4,我的祖父已經十歲了。他二十多歲時,世人才知道有電子;在愛因斯坦發表狹義相對論那年,他三十歲,而當海森堡發現測不準原理時,他已步入中年。演化的壓力不可能讓人類出於本能理解這些完全不同的世界。不過,我們神經網路中的某種東西,至少在我們當中的某些人身上,已經準備好做一次非比尋常的重接線,不僅能讓我們詢問這些晦澀難解的現象,還能建構出數學上的抽象概念(非常難憑直覺理解的新概念)去處理並解釋這些現象。

快速,創造了第一個重新接線的需求——速度快到幾乎比得上轉瞬即逝的光束的速度。在20世紀之前,沒有任何一種動物的移動速度快過每小時100英里,即使在今天,光行進得實在太快了,除了科學上的目的外,對其他各方面而言它根本沒行進:燈一打開,光就即刻出現了。早期人類根據像光速這樣的超高速進行調適,不需要與生俱來的大腦線路。

為了速度重新接線,是突然間發生的。愛因斯坦不是異類;他默默無聞努力了十年,把自己的老舊牛頓物理接線換掉。但在當時的物理學家看來,想必就像他們當中自然出現了一種新人類——某個能從四維時空(space-time)而不是三維空間的角度觀看世界的人。

為了把他所稱的狹義相對論與牛頓的重力論統合起來,愛因斯坦又奮戰了十年——這次是在物理學家萬目睽睽下。最後出現的就是廣義相對論,完全改變了對於幾何學的所有傳統看法。時空變得柔韌、扭曲或變形,有物質存在時,它幾乎就像一張處於壓力下的橡皮紙。在過去,時空是被動的,它的幾何性質是固定不變的;在廣義相對論中,時空成為主動的參與者:行星、恆星等大質量物體可讓它變形,但無法把它視覺化——不管怎麼樣,沒有大量額外的數學就辦不到。

1900年,也就是愛因斯坦站上舞臺的前五年,還有一個更古怪的典範轉移啟動了:有人發現光是由光子#5或光量子這種粒子組成的。光的光子理論只在暗示即將到來的革命;思想上的訓練會遠比史上所見的任何事情來得抽象。量子力學不僅僅是新的自然律,還需改變古典邏輯法則,也就是每個心智健全的人用來作推論的普通思考法則。它看起來很荒誕,但無論荒誕與否,物理學家都能用一種叫做量子邏輯(quantum logic)的新邏輯替自己重新接線。我在第4章會解釋你必須熟悉的量子力學知識,請做好被它搞迷糊的準備。每個人都一樣。

相對論和量子力學從一開始就是勉強湊成對的夥伴。它們一奉子成婚,就開始出現暴力行為了——針對物理學家每一個可能的提問,數學都會爆發出狂暴的極大數字。量子力學和狹義相對論花了半個世紀才調解,但數學上的不一致性最後終於消除了。

到1950年代初期,理查・費曼(Richard Feynman)、朱利安・許溫格(Julian Schwinger)、朝永振一郎(Sin-Itiro Tomanaga)和弗里曼・戴森(Freeman Dyson)#6已經為狹義相對論與量子力學的綜合體,稱為量子場論(Quantum Field Theory),打下基礎,但廣義相對論(愛因斯坦為狹義相對論和牛頓重力論所提出的綜合體)與量子力學仍然調解不了,儘管不乏嘗試。費曼、史帝芬・溫伯格(Steven Weinberg)、布萊斯・德威特(Bryce DeWitt)和約翰・惠勒(John Wheeler)都曾嘗試把愛因斯坦的重力方程式「量子化」,但得到的結果全是數學垃圾。這也許不令人意外;量子力學管轄非常輕的東西所構成的世界,相形之下,重力似乎只對非常重的大團物質很重要。假設沒什麼東西夠輕,讓量子力學變得重要,而且又要夠重,使重力變得重要,似乎是很保險的做法。

因此在整個20世紀下半葉,許多物理學家認為追求這樣的統合理論一無是處,只適合瘋子和哲學家。

但其他人認為這個看法目光短淺,在他們看來,有兩種不相容甚至矛盾的自然理論,是智識上無法容忍的想法。他們相信,在決定物質最小構成要素的性質方面,幾乎可以肯定重力發揮了作用,問題是物理學家探究得不夠深入。他們確實是對的:在世界的地下室,距離小到無法直接觀測的地方,自然界最小的東西就在彼此身上施加強大的重力。

今天普遍認為,重力和量子力學在確定基本粒子定律方面,將扮演同等重要的角色。但自然界基本構成要素的體積小到無法想像,如果需要徹底重新接線才能理解這些要素,應該不會有人感到意外。不管新的線路是什麼,都會稱為量子重力(quantum gravity),即使不知細部形式,我們還是可以有把握地說,新典範會牽涉到非常陌生的空間與時間概念。空間位置和時間瞬息的客觀現實正走上解決之道,走上同時性#7、決定論#8和渡渡鳥的路。量子重力描述一種比我們所想像的主觀許多的現實。我們將會在第18章看到,這種現實在很多方面就像全像術投射出來的幽靈般三維幻覺。

理論物理學家正努力在陌生的國度立足。就像在過去,想像實驗(thought experiment,又稱為思想實驗)揭露了基本原理之間的自相矛盾與分歧,這本書要談的,正是為了一個想像實驗而引發的爭論。史蒂芬・霍金(Stephen Hawking)在1976年設想,要把一點資訊(譬如一本書、一部電腦,甚至是一個基本粒子)丟進黑洞。霍金認為黑洞是終極羅網,因此外界大概會遺失那點資訊,無法挽回。這種看似單純的評述,絕不像聽起來那麼單純;它在預示整個近代物理學體系的根基可能會動搖,搖搖欲墜。有什麼東西出了極大的問題;最基本的自然律(即資訊守恆律)岌岌可危。對於關注此事的人來說,要麼霍金錯了,不然就是物理學300年來的核心支撐不了。

起初很少人關注。在將近二十年裡,這場爭論多半進行得很低調。荷蘭大物理學家傑拉德・特霍夫特(Gerard ’t Hooft)和我是站在知識分水嶺其中一邊的雙人組,霍金和一小群相對論學者站在另一邊。大多數的理論物理學家,尤其是研究弦論的物理學家,直到1990年代初期才開始意識到霍金提出的預兆,接著他們大部分還弄錯了。反正錯了一段時間。

黑洞戰爭是一場真正的科學爭論——與關於智慧設計論* 或全球暖化是否存在的偽辯論,完全是兩回事。那些假論點是政治操弄者為了讓天真的大眾分不清是非真偽而編造的,無法顯現科學上真正的意見分歧。相較之下,在黑洞問題上產生的分歧是實際存在的。哪些物理學原理該信賴,哪些該捨棄,卓越的理論物理學家意見不一致。他們應該追隨霍金,支持他的保守時空觀點,還是追隨特霍夫特和我自己,支持我們的保守量子力學觀點?每個觀點似乎只會導致弔詭和矛盾,要麼時空(自然律發生的舞臺)可能不是我們所想的那樣,不然就是熵和資訊的崇高原理是錯的。幾百萬年的認知演化和數百年的物理經驗再次愚弄我們,我們發現自己需要新的心智接線。

《黑洞戰爭》在頌揚人類心智及其發現自然律的非凡能力,它解釋了一個遠比量子力學和相對論離我們的官能更疏遠的世界。量子重力在處理比質子小一億兆分之一的物體。我們從未直接體驗這麼小的事物,而且可能永遠也不會,但人類的聰明才智已經讓我們推斷出真有它們存在,而且令人驚訝的是,進入那個世界的入口是質量與體積都非常大的物體:黑洞。

《黑洞戰爭》也是關於某項發現的編年史。全像原理(Holographic Principle)是所有物理學當中最難靠直覺理解的抽象概念之一。這是二十多年來對掉入黑洞的資訊的命運進行論戰的最高點。這不是仇敵之間的戰爭;主要的參與者甚至都是朋友。然而這是激烈的知識理念之爭,論戰雙方相互尊重,而且意見分歧。

有一種普遍的見解必須澄清。物理學家,尤其是理論物理學家的公眾形象,往往是書呆子氣,交遊不廣,興趣怪異、非人類又無聊。這真是大錯特錯。我所認識的大物理學家,還有很多偉大的物理學家,都極具個人魅力,滿懷熱情,想法有趣十足。個性和思考方式的差異一直讓我很感興趣。在我看來,寫給普通讀者看的物理書裡沒把人的成分寫進來,似乎就遺漏了有趣的東西。除了科學的一面,在寫這本書的過程中,我還試圖記錄這個故事的某些情感面。

 

看更多 收起

詳細資料

ISBN / 9786269827145
EAN / 9786269827145
頁數 / 512
尺寸 / 15x22cm
注音 / 無
裝訂 / 平裝
語言 / 中文繁體
級別 / 無

 

看更多 收起