物理之書

作者序

物理的範圍

　　美國物理學會（The American Physical Society）是當今最重要的物理學家專業組織之一，這個學會是在1899年，由36名聚集在哥倫比亞大學（Columbia University）的物理學家所成立，學會的目標是促進並推廣物理學的知識。該學會在宗旨中提到：

　　物理學對於了解環繞著我們的世界、我們之內的世界以及我們感知以外的世界，都非常地重要。它是最基本也最重要的科學。物理學裡的相對論與弦論等概念挑戰了我們的想像力，它還引導了電腦與雷射等改變了我們生活的偉大發現。物理學的研究範圍涵括了最大的星系到最小的次原子粒子。除此之外，物理學還是其他許多學科，例如化學、海洋學、地震學以及天文學的基礎。

　　的確，今天物理學家的研究範圍又遠又廣，包含了各種酷炫的主題以及基本定理，以了解自然、宇宙以及組成真實世界最細微的結構。物理學家探討多重維度、平行宇宙以及連結不同時空的蟲洞存在的可能性。就如美國物理學會所說的，物理學家的發現經常會導致新的科技，甚至改變哲學以及我們看待這個世界的方式。舉例來說，對許多科學家來說，海森堡的不確定性原理意味著物質宇宙並非以決定論者所說的形式存在，而是一個由各種可能性所形成的神祕組合。我們對電磁學的了解導致了無線電、電視與電腦的發明。我們對熱力學的了解則導致汽車的發明。

　　從這本書中，你將會發現物理學的範圍無法以年代來區分，更難以劃定界線。我採用了一個較寬廣的視角，把工程與應用物理，以及我們對天體了解的進展都納了進來，有些主題甚至還帶有哲學的意涵。儘管這樣的範圍很廣，但是大多數物理領域都有一個共通點，那就是科學家非常仰賴數學工學來了解、實驗並預測自然世界。

　　愛因斯坦曾說，世界上最難以理解的事就是，這世界是可以理解的。確實我們似乎活在一個可以用簡潔的數學式與物理定律來描述或近似的宇宙中。然而除了這些自然定律之外，物理學家還鑽研一些人類所曾思考過最深奧難解的概念，例如相對論、弦論以及大霹靂宇宙論。量子力學讓我們瞥見一個如此古怪又違反直覺的世界，讓我們對空間、時間、資訊以及因果產生疑問。然而，量子力學的那些神祕指涉姑且不論，這個領域的研究成果已經被應用在雷射、電晶體、微晶片以及核磁共振造影等各式各樣的領域與科技上。

　　這本書的內容也把提出那些偉大物理概念的「人」納入其中。物理學是現代科學的基石，幾個世紀以來它吸引了無數的人們投身其中。牛頓（Isaac Newton）、馬克士威爾（James Clerk Maxwell）、居禮夫人（Marie Curie）、愛因斯坦（Albert Einstein）、費曼（Richard Feynman），這些史上最偉大而迷人的心靈，都曾將自己奉獻給物理學的進展。他們改變了我們看待宇宙的方式。

　　物理學也是科學中最困難的學科之一。物理學對宇宙的描述永無止盡地成長，而我們的思考與語言技巧卻有極限。每天都有新的物理被發現，因此我們也需要新的方式來思考與理解物理。德國理論物理學家海森堡（Werner Heisenberg）曾擔心人類或許永遠無法真正地了解原子；但是丹麥物理學家波耳（Niel Bohr）則在1920年代初期樂觀地回應：「我想我們還是可以辦得到，但是在這個過程中，我們或許必須學習『了解』這個字，到底意味著什麼。」今天，我們藉由電腦來分析超越我們直覺的事物。事實上，以電腦所進行的實驗已經讓物理學家得以提出在電腦普及以前無法企及的理論與洞見。

　　現在有一些傑出的物理學家認為在我們的宇宙之外，還有許多像是一層層的洋蔥或是奶昔裡的泡泡一樣平行存在的宇宙。在某些平行宇宙理論裡，我們或許可以偵測到從鄰近宇宙所「洩漏」過來的重力，偵測到這些宇宙。舉例來說，來自遙遠星球的光可能會因為幾釐米外，位於平行宇宙中的不可見天體而產生扭曲。整個多重宇宙的概念並不像它表面上看起來那樣的異想天開。根據美國研究者大衛拉柏（David Raub） 在1998年對72名頂尖物理學家所做的問卷顯示，有58%的科學家，包括霍金（Stephen Hawking），都相信某種形式的多重宇宙。

　　《物理之書》的內容涵括了從理論與具備卓越實用性的發現到奇特難解的主題。在其他的介紹物理的書籍裡，你可能看不到介紹完1964年的次原子粒子－上帝粒子（God Particle）後，下一篇出現的會是1965年風靡了整個美國，擁有絕佳彈跳力的超級球（Super Ball）。我們還會介紹有朝一日可能會撕裂星系，並造成可怕的大撕裂，終結宇宙的神祕暗能量（Dark Energy）；以及開啟了量子力學的黑體輻射定律（blackbody radiation law）。我們將一同沉思涉及與外星生命接觸的費米悖論（Fermi Paradox）；探索一座在非洲發現已經運作了20億年的史前核子反應爐。我們將會討論到創造出史上最深沉的黑－比車子的黑色烤漆還要黑上一百倍－的競賽。這種「終極的黑」未來可能可以用來更有效率地從太陽獲取能量或是設計極度靈敏的光學儀器。

　　本書裡的每一節都很簡短－只有個位數的段落。這種形式可以方便讀者很快地切入一項主題，而省略冗長的說明。想知道人類最早是在什麼時候看到月球的遠側？只要翻到「月球的黑暗面」（Dark Side of the Moon）就可以獲得簡短的介紹。什麼是古老的巴格達電池（Baghdad batteries）之謎？什麼又是黑鑽石（black diamonds）？這本書裡將會提到這些與其他令人好奇的主題。我們將會懷疑真實是否其實只是人為的建構。當我們越來越了解宇宙，而且可以利用電腦來模擬複雜的世界時，即使是嚴肅的科學家也開始質疑真實的本質究竟為何。會不會我們其實都活在電腦所模擬出來的世界裡？

　　在我們生存的這個小小星球上，我們已經發展出可以用軟體與數學規則來模擬類似生命的行為。有一天，我們或許可以創造出具有思考能力的生物，存活在如同馬達加斯加（Madagascar）雨林那樣複雜而多樣的豐富虛擬空間裡。也許我們還能模擬「真實」本身，而更先進的生命或許早就在宇宙的另一個角落這樣做了也說不定。