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T恤上的宇宙:尋找宇宙萬物的終極理論

Universe on a T-Shirt: The Quest for the Theory of Everything

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內容簡介

如果宇宙運行的道理,簡短到能夠印在一件T恤上,那會是什麼呢?
讓最會說故事的科普作家佛克帶你橫跨古今,
探究連愛因斯坦、費曼和霍金都無法破解的終極謎團……

  沒有一項科學任務能和「了解宇宙的關鍵」相比,所謂宇宙的關鍵,就是那難以捉摸的「萬有理論」。自科學發展以來,物理學家一直在做的,就是找出這個最核心的理論,來解釋我們身處的宇宙。

  古希臘人說:一切都是水,一切都是原子。
  哥白尼說:太陽是我們這個星系的中心,地球是繞著它轉的。
  克卜勒提出了三個行星運動定律,伽利略寫下v = v0 + gt,牛頓不甘示弱寫下F = ma。
  馬克士威有電磁方程組,愛因斯坦有E = mc2,薛丁格有非死非活的貓。
  最後的終極理論,會是廣義相對論加上量子理論嗎?弦論和M理論也將占有一席之地?

  本書是人類追求這個物理聖杯的故事,作者佛克把這個動人的故事嵌入歷史的軸線,從古希臘人寫到牛頓、馬克士威與愛因斯坦的突破,一直到最新的弦論,以及現今的物理學界為整合量子理論與廣義相對論所做的努力。今日物理學家使用的方法非常複雜,但目標卻很簡單,與古代希臘人沒什麼兩樣——他們都追求一個簡單而統一的理論,企圖用最少的假設,來解釋最多的現象。而這個理論應該簡單到能夠寫在一件T恤上。

  本書作者佛克,是個獲獎無數的科普作家,他擁有絕妙的本事,能找出最恰當的譬喻,把困難而重要的物理概念說得淺白易懂(如果你看過佛克的暢銷作品《探索時間之謎》,一定會非常認同)。在《T恤上的宇宙》中,他就像那些執著的物理學家一樣,試圖用最簡單的語言描述宏大的宇宙概念,並且帶出一連串精采的科學故事,把科學家的哲思和個人觀點都清楚地表達出來。

  在佛克生動的描述下,那些我們熟悉的人物全都活過來了。你會看到胖嘟嘟的第谷和瘦弱的克卜勒、故意把托勒密系統寫得笨拙愚鈍的伽利略、只想組裝水車而不願意照顧農作物的牛頓,還有每天默默在專利局進行頭腦體操的愛因斯坦。這些著名的科學家,或許都曾片斷地留在你的記憶中,經過佛克巧妙的安排,你會看到他們串連成一個整體,刻畫出清晰的科學發展脈絡。那些熟悉但令人困惑的理論和公式,突然間全都有了意義!

  我們的日常生活深受現代物理影響,若沒有物理學家奠定的理論基礎,就不會有電腦、網路、手機、微波爐、衛星導航等科技產品。如果你想了解世界運作的基本原理,或是好奇理論物理學家究竟在做些什麼,本書是最適合你的佳作。佛克筆下的世界是個精采的舞台,科學家輪番上陣展現他們獨特的性格,充滿戲劇張力又深具啟發性。他們將重燃你渴望探索世界的熱情,你會發現世界變得更大,卻也更清晰了。

  ◎ 暢銷書《探索時間之謎》作者佛克得獎代表作
  ◎ 加拿大科學寫作人協會「大眾科學新聞寫作獎」
  ◎ 亞馬遜讀者四顆半星推薦
  ◎ 中央研究院院士徐遐生 深度導讀

作者簡介

佛克Dan Falk

  專事科學寫作,作品散見於《環球郵報》、《多倫多星報》、《海象》雜誌、《農舍生活》雜誌、《天空新聞》雜誌、《天文學》雜誌、《新科學人》雜誌,也定期為加拿大廣播公司的「好點子」和「怪怪與夸克」節目撰稿。他得過的獎項包括「紐約節」的「廣播節目金獎」和美國物理學會的「物理學及天文學科學寫作獎」。佛克的第一本書《T恤上的宇宙》在二○○二年獲得加拿大科學寫作人協會頒發「大眾科學新聞寫作獎」,另著有暢銷書《探索時間之謎》。他目前定居加拿大多倫多。

譯者簡介

葉偉文

  國立清華大學核子工程系畢業,原子科學研究所碩士(保健物理組)。曾任台灣電力公司核能發電處放射實驗室主任、國家標準起草委員(核子工程類)及中華民國實驗室認證體系的評鑑技術委員(游離輻射領域)。現任台灣電力公司緊急計畫執行委員會執行祕書。

  譯作有《愛麗絲漫遊量子奇境》《小氣財神的物理夢遊記》《物理馬戲團1、2、3》《看漫畫,學物理》《蘇老師化學黑白講》《搞笑學物理》《費曼手札》《刻卜勒的猜想》《神奇數學117》《蘇老師化學五四三》《觀念化學I》《靈魂有多重?》《隱藏的邏輯》《數學嗆聲班》《蘇老師生活化學快問妙答》《科學新聞不能這樣看》《不懂科學會倒大楣》《用科學方法解決日常生活大大小小的難題》《不可忽視的印度》《相對世界的美麗》等四十多種書。並曾翻譯大量專業作品,散見於《台電核能月刊》。

 

目錄

致謝
致讀者

引言
第一章 光與影--希臘世界與科學的開始
第二章 新視野--哥白尼的革命
第三章 天體與地球--伽利略、牛頓與現代科學的誕生
第四章 真知灼見的閃光--電、磁與光
第五章 相對論、空間與時間--愛因斯坦的革命
第六章 量子理論與現代物理--事情變得更不可思議了
第七章 把尾端綁緊--弦論會是救贖嗎?
第八章 意義何在?--科學、上帝與了解的極限
第九章 終曲

延伸閱讀
深度導讀
注釋
引用文獻
附圖列表
中英對照表

 

引言

  我希望能活著看到,所有的物理學簡化成一個華麗、優雅的簡單公式,簡單到可以寫在一件T恤的正面。——列德曼

  我們終於可以用一種簡單、明白而優雅的辦法來闡述宇宙了,而且不必採用太冗長、太專門的說明。這個「萬有理論」可以解釋我們所見、所處的整個物理世界,其中包括了人和植物,汽車與彗星,沙粒和星星。它說明了我們宇宙的起源,並且描述了大部分的基本組成要素。當然,理論可能是以抽象的數學形式來呈現,但是其理論的核心觀念卻可能非常簡單,簡單到可以寫在一件T恤上。我們在文章開頭引述了大西洋兩岸兩位頂尖物理學家的說法,可見這個非凡的目標不全然是空穴來風的幻想。它聽起來有點像是大學教職員休息室的周末閒談,或是地方上學生在酒吧裡的自由討論。不過,這並不是一種無厘頭的奇想,而是一種有邏輯脈絡的想法。這是所有物理學家每天工作的一種自然延伸,也是科學誕生以來,他們一直在做的事。

  在以下的文章裡,我們將從古代開始,經科學革命,一直到現代令人興奮的宇宙學及粒子物理學觀念,仔細探討這項經簡化的探索。不過我們不打算從一個歷史或物理事件開始,而是從一個謎題出發。假設你觀察對街的一間房子,你先是看到一位醫師進去,接著是一位律師,最後是一位牧師。那麼,屋子裡發生了什麼事?在繼續看下去之前,請先暫停片刻,思索一下,看你能不能解開這個謎。

  你可能會猜屋主是得了重症,所以先來了一位醫師來為他看病,接著由律師來為他處理遺囑相關事宜,最後來的牧師,則是完成最後的儀式。當然,這個題目的答案看起來很明顯,因為它既簡單,又符合邏輯。

  當然,在這個謎題裡,所描述的情況是完全人為的。但不論是科學家或非科學家,每天都會遇到許多類似情況,其中有些很困難,有些則比較簡單。假設你走進客廳發現窗戶破了,窗戶旁邊的地毯上有許多碎玻璃,旁邊的檯燈也倒了,就在被推倒的檯燈旁邊,出現了一個很關鍵的線索:一顆棒球。這個線索提供了一個很明確的答案:有人不小心把棒球打進你家了。當然,你也可以推論出另一個不同的答案:有個小偷想從窗戶潛入屋內,但是不知道什麼原因卻放棄了,而燈則是被狗撞倒的,牠在花園裡撿到一顆棒球,叼進屋裡來。你不必是一個科學家,也可以分辨上面兩種情況,哪一種比較可能發生。

  當答案很明顯時,問題就簡單得好像理所當然;但當答案不明顯時,想要解決問題可能就很耗時了,有時候甚至得花上幾個世紀都還無法解決。其實在現代科學尚未發展之前,哲學家就已經考慮該如何解決這一類困難的問題,他們發現一些簡單又優美的答案,往往也是正確的。中世紀有一位英國教士名叫奧坎,就曾經很簡潔地表達了這個觀念,因此後來他的名字就和這個理念連結在一起,我們稱這個理念為「奧坎剃刀」。

  奧坎剃刀是一種科學家所使用、最重要的「邏輯工具」,當他們面對一大堆令人迷惑的數據時,科學家所找的是已知現象裡最簡單的答案,這點在物理學上尤其重要。物理學家的目標永遠是化簡,在無數次的觀察之後,盡可能用最少的定律或公式來解釋這些觀察。但物理學並不是哲學,因此,科學家必須再多走幾步,處理一些後續的事情。奧坎剃刀是個有用的指導方針,但它只是個起點,每個科學的理論最後都必須依靠實驗來證實。理論必須預測出一些特定的結果,而科學家必須在實驗室裡進行各種測試,看看能不能得到這些結果。如果理論和觀察到的證據不一致,儘管可能會有人想緊緊抱住原來的理論不放,但它終究會被淘汰。這種做法,也就是所謂的科學方法,在過去四百年裡已經成功產出驚人的貢獻,從伽利略和牛頓,到二十世紀相對論和量子理論的科學大革命,直到今天,它還一直豐富我們對宇宙的了解。

  但是在近代物理的某些分支裡實驗測試是非常困難的,有時候幾乎不可能。其中有兩個領域特別具有挑戰性:一個是高能的粒子物理,研究的是大自然最基本的結構物質;另一個是宇宙學,研究宇宙本身的起源和演變。這兩個學門乍看之下似乎毫不相干,但其實它們之間有著密切的關係。粒子物理學家研究的是在極端狀況下,物質與能量之間的關係,他們的研究方法,主要是利用巨型的加速器,讓粒子以極大的能量互相撞擊,看看會得到什麼結果。在我們宇宙形成的早期階段,也出現過類似的極端狀況,宇宙學家研究的領域就是大霹靂之後的一秒鐘。大約發生在一百五十億年前的那場大爆炸,即所謂的大霹靂,造就了我們今天的宇宙。當時的宇宙十分熾熱、稠密,以至於今天我們所見的各種作用力,當時都是來自同樣一種力。宇宙早期可能只有一種力,而且能用一個理論來加以描述。粒子物理學家和宇宙學家都拚命想找出這個理論,這也就是所謂的萬有理論。

  現今很多人把關注的焦點擺在「弦論」,它是利用一小圈弦來描述所有已知的粒子與作用力。弦論本身並不像聽起來那麼瘋狂,事實上在經過某些改良和修正之後,弦論可能是最有希望的物理統一理論。當然,我們不可能在實驗室裡,重新創造出像大霹靂那樣的能量水準。就算是現今最強大的粒子加速器,也還差得遠。換句話說,我們並沒有直接的方法可以測試弦論。那麼,理論物理學家又能做些什麼事呢?他們或許能夠測試理論的某個部分,看看理論是不是在一個正確的方向上,和其他更完整的理論是否一致;另一種策略則是留意奧坎的原則,看看理論是否夠簡化。時至今日,科學往往是外人難以理解的,公式也非常複雜,不過它們的基本觀念卻往往簡單、漂亮得令人吃驚。

  為了找出簡潔、優美的解釋,物理學家追求能夠說明最大範圍物理現象的理論。如果可能,他們就在實驗室裡測試自己的理論;如果無法實驗,他們就在黑板或電腦上演算,他們通常可以辦到。從伽利略和牛頓,到馬克士威和愛因斯坦,物理科學裡每一次重大的革命,都是對宇宙更新、更簡化的看法所造成的,而這些看法的優雅陳述,往往都可以用幾條簡單的方程式來加以表達。

  為了使我的敘述更簡單一些,在說這些故事的時候,我不會使用像「非可交換度量理論」「重新常態化」或「非擾動性方法」之類艱深的字眼。不過,我們還是得花點心思,因為我們還是會談到相對論與量子力學,也會探討弦論、黑洞和隱藏的維度。不過,我們只討論簡單與統合的主題,不會進入沒有必要的細節與深度,偶爾會談到相關的數學,但絕不會做數學運算。

  為了要真正了解這個探索,我們必須了解它的過去,我們必須明白事情的起源和它中間變化的過程。因此,我們就從哲學與科學還合而為一的日子開始。本書是很多科學觀念的歷史故事,也是人的故事,裡面有些是積極熱血的實驗科學家,有些則是天才橫溢的理論科學家,也有少數幾個純粹是幸運,但他們同樣都在追尋進一步的簡化。在追尋物理學聖杯——萬有理論的過程裡,他們都有著一定程度的貢獻。

 

詳細資料

  • ISBN:9789862620731
  • 叢書系列:貓頭鷹書房
  • 規格:平裝 / 288頁 / 16k菊 / 14.8 x 21 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

第七章 把尾端綁緊
弦論會是救贖嗎?

物理學家不輕易說出「革命」這個字眼,只有當新理論根本改變我們對世界的觀點,挑戰已經被接受的常識,以及對大自然提供更寬廣、更徹底的認識時,物理學家才會說它是革命。二十世紀只有兩件事稱得上是革命:愛因斯坦的相對論以及量子力學。如今正是二十一世紀初期,有些物理學家覺得第三次革命已經悄悄地展開了,他們之所以這麼興奮,是因為新的物理架構似乎能把量子理論與相對論結合起來。這個對大自然的新描述,讓我們也許可以瞥見長久以來追尋的最終理論。

這個新方法叫做弦論,在問世之後的最初數十年,弦論已經站穩腳步,成為競爭萬有理論的領先者。威滕與葛羅斯這兩位傑出的弦論理論學家,曾在《華爾街日報》上分享他們對新理論的熱情:「終於我們有了新理論的開端,它能改變我們對物理的基本認識,能徹底革新我們對空間與時間的想法,或許還能提供一個架構給統一理論,將所有的自然力整合起來。」

在近代沒有一種科學理論有弦論那種奇特的發展過程,三十多年間,弦論就像坐雲霄飛車一樣,大起大落、上上下下的。它誕生於一九六○年代末、七○年代初,幾乎是出於偶然,當時科學家在全世界最大的加速器裡將質子對撞,想看看這項高能物理實驗會有什麼結果,目的是想清楚了解把原子核綁在一起的強核力。但是數學卻顯示,在理論上構成物質最基本的碎片,好像不是點狀的粒子,而是個微小的一維環狀弦。在一九七○年代,這個理論產生了一些混亂,後來慢慢地淡掉了,部分原因是其他研究強核力的方法有些成效,部分原因是沒有人知道該如何看待弦論怪異的預測。但有少數的物理學家非常固執,盡全力使理論存活——其中比較值得注意的是普林斯頓的舒瓦茲、倫敦大學瑪麗皇后學院的葛林,以及法國巴黎最高教育學院的謝爾克。舒瓦茲、謝爾克及葛林研究新理論的方程式,發現了一些很令人吃驚的事:弦論似乎預測了重力子的存在,一般認為它是媒介重力的粒子。再經過一些數學演練之後,發現愛因斯坦的重力方程式似乎很自然地從弦論的架構中浮現出來。

忽然之間,弦論似乎不再只是處理原子內核力的理論而已。基本上它是個量子理論,但仔細地研究它的數學結構之後,物理學家還發現它實際上能產生廣義相對論的方程式。換句話說,它是一個真正的重力量子理論,一個有很大潛力的理論,其中包含著量子理論與重力。因此,到了一九八○年代,物理學家再度為了弦論忙亂不休。

根據弦論,在宇宙最深層之處,並不是由原子或夸克組成的,而是由令人頭昏腦脹的微小弦線組成的。典型的弦尺寸大約是10-33公分,小到一個核子需要十萬億億個弦排在一起,才能延展包覆它。如果這些數目很難體會,我們換個方式來想:如果每個弦的大小相當於一個原子,那麼原子的大小就相當於太陽系。但這些弦並不是靜止的,它們不停地振動,根據它們振動的方式,會表現出那些基本粒子的特性。弦的某種振動方式看起來像夸克,另一種振動方式則像電子。我們可用小提琴上的弦來比擬,小提琴按照弦的各種振動方式,可以發出不同的音符;弦論則似乎能產生無數個不同的粒子,而且每個粒子都可以是基本粒子,有同等的重要性。

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