T恤上的宇宙：尋找宇宙萬物的終極理論

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。