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《霍金大見解》Brief Answers to the Big Questions

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撰文者:天下文化
發文日期:2019-03-10
點閱次數:177
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    開場白─我們站在霍金的肩膀上(節錄)
    本文作者索恩(Kip S. Thorne)為諾貝爾物理獎得主、 霍金的摯友、電影《星際效應》科學顧問暨執行製作人

     
    author pic - credit Andre Pattenden
    (C) Andre Pattenden


    我與霍金初次相遇,是在1965年7月,在倫敦的一場關於廣義相對論與重力的研討會中。霍金當時還是劍橋大學的博士班學生,而我則剛剛從普林斯頓大學取得博士學位。那時,整個研討會的大廳,謠傳著霍金已推導出:宇宙「必定」是在某個有限時間之前誕生的,宇宙的年紀不可能是無限大。

    因此,我和其他一百多人,一起擠在一間只能容納四十人的小教室,聆聽霍金的演講。除了拄著枴杖行走、以及些許的口齒不清之外,其他運動神經元疾病的症狀並不明顯;此時距他初診確立病情,已有兩年之久。很顯然,霍金的心智絲毫不受影響。

    霍金在1965 年的演講,讓我印象極其深刻。理由不單單是由於他的論證與結論,更多的是由於他的直覺與創造力。因此,我約了他,單獨談了大約一個小時。這一個小時,是我們終生友誼的開始,這份友誼的基礎,不僅是基於共同的科學興趣,更是一種兩人之間非常契合、言語難以形容的相互理解。很快的,我們又聚在一起,除了科學之外,我們更分享了彼此的生活、珍愛的人、甚至包括對死亡的想法等等。當然,科學仍是把我們彼此黏在一起的膠水。

    1974 年秋天,霍金帶著他的博士班學生與家人(珍和羅伯特、露西兩個小孩)到美國加州的帕沙迪納,住了一年。如此,霍金與他的學生才能參與我在加州理工學院的學術生活,他們以臨時編組的方式,加入我的研究群組。這是「輝煌的一年」,堪稱是「黑洞研究的黃金時代」的頂峰。

    在這一年裡,霍金與他的學生,和我的幾位學生,都極力試圖能更深刻瞭解黑洞;至於我,則沒有像他們投入得那樣多。然而由於霍金的參與,以及他肩負起在我們的黑洞聯合研究群組的領導與管理工作,給了我一些自由,去探索我個人多年來希望能多些瞭解的新方向:重力波。


    開啟了重力波天文學時代

    霍金返回劍橋後不久,我對重力波的探索過程,有了重要的成果。在某個夜晚,在魏斯下榻的華盛頓特區的旅館房內,我倆徹夜長談,那時我開始相信,這項研究方向的前景,值得我傾注我自己、與我學生未來的研究生涯,去幫助魏斯和其他實驗物理學家,落實我們對於重力波天文學的願景。接下來的部分,如大家所見,已經成為歷史的一部分。

    2015年9月14日,雷射干涉儀重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)探測到第一個重力波的訊號。LIGO 是由魏斯、我與德瑞弗(Ronald Drever, 1931-2017)三人共同倡議,並由加州理工學院的巴利許(Barry Barish, 1936-)負責組織、聚集與領導全球約一千名科學家協力建構完成。*譯注:本文作者索恩,與魏斯、巴利許,基於「對LIGO 及重力波探測的決定性貢獻」,獲得2017年的諾貝爾物理獎。

    把觀測到的雷射光干涉圖樣與電腦模擬的預測結果做比對,我們團隊得出的結論是:這道重力波是在距離地球十三億光年的地方,有兩個大型黑洞碰撞而產生的。這是重力波天文學的濫觴。就和當初伽利略開啟了電磁波天文學的時代一樣,我們的團隊也為天文學的發展,揭開了嶄新的一頁!

    我可以很有自信的說,在接下來的數十年時間裡,下一代的重力波天文學家,不僅會透過這項工具來測試霍金的黑洞理論,也會朝著探測大霹靂(Big Bang)這個創生宇宙的奇異點而努力,從而測試由霍金或其他人所提出的關於宇宙創生奧祕的理論。


    牛頓給了我們答案,霍金卻給了我們問題

    在那個輝煌的一年裡,當我還在猶豫是否要投身重力波的時候,霍金不僅領導我們的聯合研究團隊,他自己更產生一個比霍金輻射還更為激進的想法。他給出一項引人矚目、而且幾近是無懈可擊的證明:當黑洞形成,並開始以輻射的方式蒸發時,稍早之前進入黑洞的訊息,便無法再復原。資訊無可避免的,會在黑洞中遺失。

    這個想法之所以激進,是因為量子物理明確表示:資訊永遠不可能完全遺失。因此,如果霍金的想法正確,那麼黑洞便違反了最基本的量子物理定律。

    這怎麼可能呢?黑洞蒸發,是量子物理與廣義相對論互相結合的結果,也就是我們都還不甚明瞭的量子重力理論;所以霍金就此推論,相對論與量子論這段勉強湊合的婚姻,必將導致資訊的破壞。

    絕大多數的理論物理學家,都覺得霍金的這個結論令人無法接受,而持保留態度。因此,過去這四十四年來,大家都努力試圖解決這個所謂的黑洞「資訊遺失悖論」。

    然而,這份努力與煎熬是值得的,因為這個悖論,是開啟瞭解量子重力定律的有力鑰匙。霍金他本人在2003年,也找到一個讓資訊可能隨著蒸發而逃離黑洞的方法,然而這還不足以消弭理論學家心中的疑慮。霍金並未「證明」訊息確實可逃離黑洞,因此大家還得繼續奮鬥下去。

    在西敏寺的葬禮中,我希望以我為霍金所寫的頌詞,來紀念這些奮鬥:


    「牛頓給了我們答案,霍金卻給了我們問題。而且霍金所提出的問題,仍將在往後的數十年間,持續引領出重大的突破與進展。在我們最終得以掌握量子重力定律,以及完全瞭解宇宙創生之謎時,我們將可歸因於,我們是站在霍金肩膀上的緣故。」

    就像我在1974-1975 這個輝煌的一年裡,開始探索重力波一樣,那也是霍金試圖解開量子重力定律的開始。這些定律,可以告訴我們關於黑洞資訊與亂度的本質,也可以告訴我們大霹靂這個時間奇異點的本質,以及位在黑洞內部這個奇異點的本質—這也是時間開始與結束的真正本質。

    這些都是大問題!很大的大哉問!

    對於大哉問,我總是採取迴避的態度。我沒有足夠的技能、智慧或自信來回答。相反的,霍金卻總是被大哉問所吸引,無論這些問題是否在他熟悉的科學領域裡。然而霍金也的確擁有足夠的技能、智慧與自信,來面對這些大哉問。

    這本書,彙集了霍金對一些大哉問的想法,這些是他直到生前最後一刻,都還試著回答的大哉問。

    書中有六個大哉問,深植於霍金的理論物理研究領域(上帝存在嗎?宇宙是怎麼開始的?我們能預測未來嗎?黑洞裡面是什麼?時間旅行有可能嗎?我們如何形塑未來?)我在這篇〈開場白〉裡,已經簡短介紹了一部分,而透過這本書,你將可以看到霍金對這些大哉問,有極其深刻的思考與見解。

    另外四個大哉問(我們能在地球上存活下來嗎?宇宙中還有其他智慧生命嗎?我們應該殖民太空嗎?人工智慧將會比我們聰明嗎?),雖然可能不常被劃歸在霍金的科學領域裡,然而,霍金對於這些大哉問的思考,正如我們所預期的,充分展現了他深邃的智慧與創造力。

    我希望你會與我一樣,喜歡他的見解所帶來的啟示與洞察!


    點燃心智的火花
    《霍金大見解》譯者 蔡坤憲(物理雙月刊 專欄作者)導讀

    我與霍金教授的緣分,與絕大多數人一樣,都是從他的《時間簡史》開始的。

    記憶中,我才大學畢業,初執教鞭。有一天,我在桃園火車站前的「諾貝爾書局」尋找物理課補充教材時,很幸運地發現由許明賢、吳忠超合譯的《時間簡史》中文版。身為受過基本訓練的物理人,無法忍受好奇心的驅使便迫不及待地開始翻閱導讀。其中介紹了他如何與漸凍人症奮戰、系列的科學成就,以及擔任盧卡斯數學講座教授的過程。在讀到書中描述他走上講台,全場起立鼓掌的字句時,我竟不自覺的流下眼淚。霍金的故事真是太激勵人心了!此後,我在課堂上經常舉他為例與學生共勉。我告誡學生:「我們不能和霍金相反,四肢健全,卻有個『漸凍的腦袋』。」

    儘管,我並非鑽研宇宙學或天文物理的學者,但是我很幸運地接受過基本的物理與科學訓練,以至於能夠一字不漏地讀完《時間簡史》,在觀念上理解霍金想要表達的內容。自此,我也很自然的成為霍金的忠實讀者之一,拜讀了他所有的重要著作。如《大設計》與《胡桃裡的宇宙》,以及英文版的《Black Holes and Baby Universes》等,每一次都像是搭上由他親自駕駛的「心智太空船」一同進入宇宙遨遊。

    《霍金大見解》是霍金用他自己的話,回顧自身過往的研究成果與心路歷程。從中我們可以看到他的研究與最新的科研課題之間的關係,甚至指引出新的發展方向。書中的前六個問題,都是他自己專長的宇宙學領域。在翻譯的過程當中,我彷彿是置身在他的研究室,聽著他娓娓道來,講著自己的故事,每一個章節都是精彩的「科學史」與「科學課」。

    霍金精準地遣詞用字,深入淺出地介紹宇宙學的發展。他先講述量子力學、廣義相對論的基本觀念,以及自己如何把這些觀念運用在黑洞的探討上。他並由熱力學裡得到啟示,而發展出「霍金輻射」、「霍金溫度」等理論。他的推理過程簡潔優美,許多我們在課堂上經常聽到卻仍舊感到模糊不解的物理或化學觀念,透過他的闡釋,令人猶如醍醐灌頂,瞬間茅塞頓開。
    除此之外,書中還介紹了許多科學前沿的理論,例如M理論、弦理論、負能量、超對稱、資訊遺失悖論等等。他不僅做了精彩的介紹,更讓我們理解到,當前科學家的成就與困境。其中最為特別有趣的是關於「生物/命」的定義。他從DNA、電腦病毒出發,一步步推論出未來的生命,可能不再只是像我們這樣,由生物細胞與化學鍵結所組成的血肉之軀,而有可能從一片晶片發展出由金屬、礦物所組成的「電子生物」。他的描述讓我聯想到「變形金剛」那部電影。如果真有這麼一天,那就真是應了「真正的科學比科幻還要科幻」這句話。

    翻譯本書的過程當中,我一次又一次的充分感受到霍金在智性上所帶來「法喜」。然而,他對最後一個問題「我們如何形塑未來?」的回答,卻讓我深深地受到感動。他向一位十四歲時的中學老師致謝。他說:

    「每一位傑出的人才背後,都有一位傑出的老師。當我們在考慮,我們能做些什麼,而又真的能做成的時候,大多是因為有某位老師的緣故。」

    我們人類的未來在哪裏?霍金已經給出顯而易見的答案:下一代的教育。

    今年年初開學時,我的學生問我:「老師,您暑假時做了什麼有趣的事?」我回答,自己讀了《霍金大見解》,並建議他們去買來看。結果有幾位學生真的這麼做了,並開始跟我及其他科目的老師聊起他們的想法與心得。同事們對於校內這股「霍金熱」的現象,莫不嘖嘖稱奇。

    我對於自己能有機會擔任《霍金大見解》中文版譯者而深感榮幸。藉著為讀者消弭跟霍金在語言上的隔閡的同時,也希望因此能夠在校園裡、教室裡,或是咖啡廳、甚至是辦公室的茶水間裡,可以聽到師生、同學或同事之間,開始討論這些「大哉問」(Big Questions)。

    您不見得要贊同霍金的看法,但是這本書絕對值得一讀!



    《霍金大見解》新書 自述節錄
    《霍金大見解》立體書
    (圖片由天下文化出版社提供)
     
    在地球這顆行星上,我擁有相當特別的人生,在此同時,我又藉由自己的心靈與物理定律,遨遊穿梭於宇宙各處。我曾經到過我們銀河系最遠的邊界,也曾進到黑洞裡面,並回溯到時間的起點。在地球的人世間,我經歷過各種跌宕起伏,各種擾動與平靜、成功與苦痛。我曾備受推崇,也曾遭受批評與非議,但卻從未被人忽視。我覺得自己非常榮幸,透過我的研究工作,能對我們理解這個宇宙做出一點貢獻。然而,若非身旁有這些我愛的人,與愛我的人,所有的這一切,終將只是一個空無的存在。若是沒有他們,對這個宇宙的探索,對我將是毫無意義的。
    除此之外,事實上,我們人類只是自然界中一群基本粒子的集合體,然而,我們卻有能力來理解主宰我們的這些定律,理解我們所處的宇宙,這實在是了不起的成就。

    我希望與大家分享,在思索這些問題的過程中,那些令人興奮的經歷,以及我對這些探索與追求的熱誠。

    希望將來有一天,我們都能知道宇宙、星際的這些問題的答案。然而就在我們這顆美麗的行星上,也有許多的挑戰,等待著下一代人,帶著興趣、以及對科學的理解,去面對其他的大哉問。例如,面對不斷增長的人口,我們如何能確保糧食的供給?如何提供乾淨的水源、開發再生能源、進行重大疾病的預防與治療、減緩全球暖化的腳步等等。

    我希望,科學與技術的進展,能為這些問題提供一些解答,但這將需要具備有知識、領悟與智慧的人,去落實這些解答。讓我們共同為每一位女人、每一位男人都能擁有健康、安全、機會與愛的人生,一起奮鬥。我們都是時光的旅人,讓我們一起航向未來。也讓我們共同努力,把未來打造成一個我們都想去的地方。

    帶著勇氣、好奇心與決心,面對未知的困難,並盡力克服。這一切,都是可以辦得到的!

    【霍金的十個大哉問】
    大哉問之一:上帝存在嗎?
    大哉問之二:宇宙是怎麼開始的?
    大哉問之三:宇宙中還有其他智慧生命嗎?
    大哉問之四:我們能預測未來嗎?
    大哉問之五:黑洞裡面是什麼?
    大哉問之六:時間旅行有可能嗎?
    大哉問之七:我們能在地球上存活下來嗎?
    大哉問之八:我們應該殖民太空嗎?
    大哉問之九:人工智慧將會比我們聰明嗎?
    大哉問之十:我們如何形塑未來?


    書名:霍金大見解:留給世人的十個大哉問與解答
    作者: Stephen Hawking
    譯者: 蔡坤憲(物理雙月刊專欄作家)
    出版社:天下文化
    出版日期:2019/02.25
    博客來網路書店:https://www.books.com.tw/products/0010814759
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