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宇宙的寂寞心靈
                                       商品編號:010240029

出版社:遠流
發燒特價:432


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作 者

奧弗拜(Dennis Overbye)

定價 480 發燒特價NT.432

譯 者

蔡承志

出版日期 93.09.15
商品特色

【得獎記錄】
一九九二年之美國物理協會科學寫作獎
美國國家書評獎非文學類提名
《洛杉磯時報》年度書獎科學類提名
《中國時報.開卷》每周書評推薦2004.10.10
中華民國物理學會【100本優良科普讀物出版】推薦書單
2004【網路與書】年度推薦十本必讀書--知識類

【特別推薦】

師大地科系副教授傅學海推薦導讀

美國NASA長期太空科學家、台大物理系助理教授吳俊輝專文推薦

內容簡介

精彩的人物,動人的文字,帶來全然的閱讀感動與深邃想像!

愛因斯坦、哈伯、惠勒、桑德志、霍金等人,全世界最頂尖的一群科學家,

在黑暗的宇宙舞台綻放出燦爛的智慧火花。

他們站立在渺小的地球上,亦身為渺小的人類,

竟膽敢思索浩瀚宇宙的起源、演化歷程與未來的命運。

這是他們的愛與憎,狂喜與傷悲,他們的瘋狂奇想與研究勇氣,

同時也是他們最精彩奔放的生命故事。

我們所居住的宇宙究竟有多大?有多老?它未來的命運又是如何?

  二十世紀後半期,研究這些問題的「宇宙學」臻於顛峰,百花齊放,熱鬧非凡,愛因斯坦、哈伯、桑德志、霍耶、皮伯斯、沙多維契、霍金、惠勒、潘洛斯、施賴姆、谷史等眾家英雄好漢,帶著各自的獨門功夫相繼登場,包括廣義相對論、哈伯常數、大霹靂、黑洞、奇異點、暴脹理論等等,且看他們如何從籍籍無名的小子,逐漸蛻變成萬人景仰的科學大師!他們等於是科學時代的宣教士,創造神話的人,也是馳騁宇宙的太空騎士。他們有人嚴肅、有人熱情,或率性,或害羞,或富於隱喻想像,乃至粗魯草莽,大言不慚,但都無損對宇宙的狂熱與專注。

  作者奧弗拜也承繼這些好漢的拼命三郎精神,長年近身觀察這群最頂尖的宇宙研究者,與他們一同追南逐北,上天下地,分享挫折也一同興奮,成就了這些動人的篇章,讓讀者時而開懷大笑,時而沉思默想,時而又感動得難以自己,同時在這一波波奮鬥與探問當中,看到近一個世紀以來,最綿密完整的宇宙學研究面貌。

  ——————————————————————————————————————

  在我最近的印象中,這是最具野心、最澎湃遼闊的科普寫作之一。難得有科學記者能以有限篇幅寫得如此豐富,如此精采。

——《銀河系大定位》作者費瑞斯(Timothy Ferris)寫於《科學美國人

  本書內容可說是二十世紀最有智慧的連台好戲,在這本充滿了熱情、挑戰性、極度精采的書中,閃耀著生命的光輝。

——作家、書評家史密斯(Wendy Smith)寫於《新聞日報》(Newsday)

  奧弗拜先生以他對科學文化,即所謂科學界的傳統、行話、競爭及未成文規矩的深刻了解,為讀者做了如此完美的引領與導覽。

——資深科學作家、《混沌》作者葛雷易克(James Gleick)寫於《紐約時報》書評

  筆鋒機智有才氣,讓人不忍釋手,忍不住一口氣讀完。

——著名科普作家、《跳出思路的陷阱》作者葛登能(Martin Gardner)寫於《華盛頓郵報》

  整本書毫無冷場……這是一本閱讀起來極為愉悅、風趣詼諧、充滿反諷意味的傑作。

——《舊金山記事報》

 

專文推薦

他們正在創造歷史! ◎吳俊輝

  從小我也喜歡閱讀科普的讀物,但看完後常覺得書中的世界距離我好遙遠,要不就是書中的偉大科學家受到神化,或早已辭世成為歷史人物,再不就是其中的內容太深,讓人無法理解。但是,這本《宇宙的寂寞心靈》,讓現在長大後的我感觸很深,因為書裡所提到的數十位被譽為「偉大」的宇宙學家之中,有很多位不但都還活著,而且我也幾乎全都認識,並和其中幾位有很熟的交情。其中最著名的,莫過於英國劍橋大學的霍金(Stephen Hawking)教授(《時間簡史》及《胡桃裡的宇宙》的作者),我的博士論文,就是在他的「重力暨相對論小組」中完成的!

  探索宇宙的奧義,一直是令人著迷的話題,打從中國的易經開始,宇宙學的發展已經有數千年的歷史。最令人興奮的是,在過去的這數十年間,宇宙學的發展幾乎逼近了它的高峰,在觀測上不但有驚人的突破,在理論上也有極重要的進展。這本書的原文在一九九一年出版,雖然在其後至今的十多年間,宇宙學又有幾項重大的進展,但這些重要進展的伏筆,卻都很巧妙地包羅在這本書的內容之中。因此,我看這本書的時候,心中有一種感動,看到一門顯學是如何透過一群科學家的努力而得到突破,而其中最令人百感交集的,便是前面所提到的:這群科學家其實都是人,活著的人,而且正默默地在我們的身邊,創•造•歷•史。

第三類接觸

  一本成功的科普書,首重能夠拉近讀者和那深奧學問間的距離。這本書所採用的手法,是摻入對當事人的人性描述,藉以活化書中的科學家與知識。我相信大家看了以後,應該會同意我的看法。我之所以特別感動,是因為我認識許多書中的人物,而這些對「人」的認識與了解,讓我對日後的研究產生了很大的動力,尤其是更深深地體會到「成功不是偶然的」這句話的含意。很多的科普書都將一些偉大的科學家加以神化,忽略了他們身為「人」的本質,這本書正適切地加強了對人性描述的部分,還原了這些科學家的人格特質,不但發人深省,更讓人進一步地了解偉大科學家之所以偉大的原因。

  以我個人的體驗為例,我自兒時就常夢想能夠親睹霍金教授的丰采,經過一番努力後終於如願以償,不但見到了他本人,也正式成為他相對論小組下的門生,這就像是電影中,接觸外星人的心情與情節一樣。在他門下的那三年間,我的研究室就在他的對面,不但每天見到他,一起吃午餐,他也正式要求我們(研究小組內所有的博士生)每週五和他共進午餐,不是打屁聊天,而是向他輪流報告我們的研究進度。他很嚴厲,問題都很尖銳,而最令人受不了的,是被他用電腦合成的語音責備,你絕對很難體會那種被電腦語音拷問和責罵的感覺!我一開始總覺得,這個人怎麼這樣,一點都沒有所謂偶像那種可人的氣質與親和力,但日子久了,我才慢慢體會到,原來就是他這種追根究柢不馬虎的精神與毅力,讓他不但成為科學界不可一世的偶像,也成為目前世上存活最久的肌肉萎縮症患者。在他門下的那段日子裡,我們常常搞不懂他的問題和想法,而他也常常因此而生氣,我想這正是菜鳥科學家和偉大科學家之間的差別,也正是偉大科學家之所以經常淪為「寂寞心靈」的原因,他們真的是難遇知己啊。

  但話說回來,私底下的霍金教授也有和一般人無異的可愛面,以及獨特的個性。例如,當我們要求和他拍照時,他一定會問他的護士,檢查儀容是否夠帥氣。由於平日他進食不但需要護士們餵食,還需要戴上如幼兒使用的圍兜,以免自嘴中掉落的食物弄髒了衣服;他在閱讀時也要助理幫他戴上老花眼鏡,並在輪椅前架上書架子,請人幫他翻書。這些都是他「不准」出現在相片中的東西。平常他也不喜歡別人推他的電動輪椅,堅持要自己操控。因此,如果你發現他辦公室附近的走道上堵滿了人,就表示前面一定是霍金教授,正因他堅持要自己操控輪椅,因而通不過走道上的某些障礙。由於大家都知道他的脾氣,所以也就習慣了,不會有人抱怨,只是新來的菜鳥看到走道堵滿人時,常會搞不清楚發生了什麼事。

  再舉另外一個例子,美國加州大學柏克萊分校的司慕特(George Smoot)教授。他曾是開啟現代宇宙學大門的宇宙背景探測衛星(Cosmic Background Explorer, COBE)觀測計畫之主要領導人,我在劍橋念博士的時候,就常被他的大名轟得震耳欲聾。他是個著名的實驗觀測宇宙學家,當時我對他的了解,主要是透過媒體上的專訪與報導,以及拜讀他的學術論文和科普文章。然而很幸運地,我從劍橋拿到博士,到柏克萊從事博士後研究時,因參與一項宇宙微波背景輻射的觀測計畫和他結識,爾後也受到他的提拔成為美國航太總署(NASA)的長期太空科學家。就如同認識霍金的經驗一般,剛開始的幾個月間,他在我心中的偶像形象馬上幻滅,轉化成一種對「人」的了解。當時我常覺得,為什麼這個人老是背著一個小背包,只出一張嘴,就能在計畫中扮演重要的角色呢?而我們年輕一輩的科學家卻要花很多的時間執行實際上的理論推導和電腦計算,才能在計畫中占一席之地啊。經過兩年多之後,我終於明白,如果沒有他的那張嘴,觀測計畫的籌備工作以及之後的數據分析工作,可能要花上更長的時間才能夠達成。這就好比一個頂尖棒球隊的教練或球隊顧問,根本不需要親自下場揮棒或投球,卻是要扮演球隊成敗的關鍵角色。我現在每週都因一項國際合作的觀測計畫,和他一起透過電話越洋開會。從他身上,我看到一個人可愛的一面,也見識到一個優秀科學家的特質。

  此外,像書中提到的劍橋大學涂若克(Neil Turok,早期是普林斯頓大學教授)教授,是我博士學位的主考委員,也常為我指點迷津,但私底下他是個很親切、很可愛、很迷糊、常常忘東忘西的人;加州大學柏克萊分校的戴維斯(Marc Davis)教授,我在加州大學的三年間,他的辦公室就在我隔壁,我們常一起去吃午餐及討論宇宙學,他雖然在去年暑期間中風,但堅強的毅力讓他至今已幾乎完全康復,也重回研究崗位主持宇宙深度探索計畫(DEEP Survey)的進行;另外還有在很年輕時就提出「宇宙暴脹理論」的谷史(Alan Guth)、提倡黑暗能量(即所謂的第五項元素)理論的斯坦哈特(Paul Steinhardt)、帶領費米實驗室(Fermi Lab)宇宙學研究團隊的柯爾勃(Rocky Kolb)及特納(Mike Turner)、對超新星的研究突破扮演重要角色的菲利潘柯(Alexei Filippenko)、對宇宙殘陷的研究有重要貢獻的維蘭金(Alex Vilenkin)、自年輕時期起就對宇宙學的多項領域有重要貢獻的皮伯斯(Jim Peebles)等,我也常因學術上的需要而和他們多所接觸。與這些知名的宇宙學家接觸時,我感覺他們和一般的人並沒有太大的不同,也就是說,我如果不跟你提起他們的身分,你可能感覺不出他們有什麼特別之處,或許只感受到他們之中少數人的怪異脾氣。但是,他們都有一股共同的特質,那就是一股深不可測的自信,和對自己想法的堅持。他們在成名的路上,都有各自的挫折,沒有人自始至終就是天生的明星。

學無止境

  宇宙學發展至今,已有多項重大的突破,例如已經確定宇宙的幾何是幾近(如果不是完全)平坦的、宇宙中的總能量有近七成為暗能量、約兩成為暗物質、宇宙的年齡約為一百四十億年、宇宙的大小可能是有限大等,但即使如此,全球宇宙學領域的科學家,仍然日以繼夜地挑戰新問題,進行新的觀測。例如,去年(二○○三)二月,NASA的威金森微波異向性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP)觀測到宇宙早期的詳細面貌,目前也還繼續地收集觀測資料;二○○七年,歐洲太空總署(ESA)將發射一枚新的人造衛星,叫做普朗克衛星(Planck satellite),它將一窺宇宙大霹靂後不久的更詳細面貌;美國目前正在執行的史隆數位巡天計畫(Sloan Digital Sky Survey, SDSS),也將在未來的十年內,探索宇宙中至少百萬個以上的星系;目前我所參與的美國MAXIPOL觀測計畫,以及台灣的宇宙微波背景輻射陣列望遠鏡(Array of Microwave Background Anisotropy, AMiBA)觀測計畫,也都是為了探索宇宙的本質而設計的。我們不會因為目前宇宙學領域的既有成就而怠慢了自己的腳步,相反地,我們會因受到目前新成果的激勵而加快研究的進度,以便能對這浩瀚的宇宙有更進一步的了解。

  就如同這本書《宇宙的寂寞心靈》的書名一般,我們宇宙學家挑戰新問題時,外人通常不了解我們到底在幹什麼,即使是物理界的同儕,也不見得能理解我們實際的研究內容及目標,因此在過程中總是令人感到寂寞的。再加上如同書中所舉的許多例子,新的宇宙學成果通常需要多年時間的醞釀,就好比一項長期投資需要數年的時間才能收到效果一般,這寂寞的漫長過程,實在是一般人所無法想像。

  我自「出道」至今,已參與多項的宇宙學觀測計畫,沒有一項是在七年內得到重要突破的。反觀國內的生態,撥經費的政府機構似乎都缺乏遠見,給了一筆錢就希望在數年內看到突破性的成果,或是目前看不到重要的成果就不願意繼續撥經費,這種缺乏遠見與專業判斷的問題,難免讓人憂心。國內負責審理計畫、決定撥不撥經費的人,以及他們聘請的所謂「國外先進」,實在都應該讀讀這本書,以體會宇宙學和其它科學領域的差異。如果真要在國內發展宇宙學、深植宇宙學的基礎,就要有長期的決心與支援。但話說回來,這幾年國內在基礎科學領域所投注的資源,確實比我十多年前出國時要多很多,還是值得肯定的。

  總之,我們很幸運地能夠在有生之年見證宇宙學的突破與發展,我也很慶幸自己能在這股洪流中不缺席。希望這本書能讓大家一窺宇宙的真實面貌,和它背後那群科學家的寂寞心靈。科學的研究,是永遠不會有終點的,所以,讓我們一起繼續努力吧!

 

導讀

爭睹宇宙奧秘的天才群像 ◎傅學海

  宇宙一直是迷人而難解的,不論是遼闊的空間,還是遙遠的時間,都令人難以想像與接受。更不用說,最近幾年的各種論說充斥著學術界與報章媒體,讓人眼花撩亂,很難聚焦。

  《宇宙的寂寞心靈》一書將二十世紀以來,有關天文學家對宇宙論領域的論述、發展、困境與爭論,依據時間先後,娓娓道來,讓人一探宇宙的奧秘,認識相關的理論、觀測證據與人物,以及這些傑出科學家的衝突、思索、興奮、沮喪等等的歷程。作者常用第一人稱的親身經歷述說情節,添加了可讀性。

作者奧弗拜是著名的科普作家,目前為《紐約時報》科學版副主編,他也是全球知名科普雜誌《發現》與天文雜誌《天空與望遠鏡》的撰稿者與編者,文章廣泛散見各雜誌。他最近才完成《戀愛中的愛因斯坦》(Einstein in Love)一書。《宇宙的寂寞心靈》曾分別獲得美國國家書評獎一九九二年非小說類和《洛杉磯時報》年度書獎科學類的提名,也獲得美國物理協會(American Institute of Physics)一九九二年科學寫作獎。

  本書雖然談論宇宙學,但是看得出來,作者主要是以「人」為中心,以觀測哈伯常數的桑德志為主軸,描述自偉大的天文學家哈伯以來,天文學家與宇宙論學家對於宇宙的觀測與探索,以及彼此依存、爭論與發展的歷程。時間縱深雖不到一百年,但卻是宇宙學的黃金年代,也是大霹靂說從純理論、藉著觀測證據浮出檯面,到成為主流的歷程,可以說是二十世紀最重要而精采的科學故事之一。

  桑德志絕對是本書的要角之一,看著他意氣風發,被捲進爭論漩渦,淡出過著近乎隱居的生活,最後又證明他的觀測數據符合決定性的觀測結果,一個天文觀測學家就這樣從年輕的不可一世,到中年的時不我與,確實反映了學術界的起伏動盪,也讓我們看到學術人士的堅持、為理念奮戰、有所為與有所不為的一面。

全書縱覽

  美國加州帕洛瑪山兩百英寸望遠鏡與哈伯,幾乎已經成為天文史上的傳奇。這座世界上最大、產出眾多的望遠鏡,使得帕洛瑪成為二十世紀天文史的「聖山」。而哈伯利用這個望遠鏡所做的工作,揭示了宇宙正在膨脹之中,打破了過去認為宇宙亙古不變的想法,使得全球報章媒體與一般大眾都熱烈討論宇宙膨脹與大霹靂說,也使得宇宙論成為當代顯學,迄今不衰。

  本書開頭便點出哈伯與桑德吉的傳承、大霹靂說與?態說的爭論,接下來則敘述了類星體的發現、引發的迷惑與謎團的破解。類星體,使我們所知的宇宙疆域擴張至一百多億光年之遠,趨近宇宙起源之處;敘述類星體的同時也描述了桑德志生涯中第一個重大的挫折,生動描繪出學術界的恩怨情仇。

  黑洞與霍金,這無疑是宇宙研究史上重要的兩個傳奇。霍金所撰寫的《時間簡史》一書,不但成為有史以來最暢銷的科普書之一,也讓他成為全球知名的傳奇人物。而書中有兩章除了精要介紹黑洞的概念外,也可由此一窺霍金的個性與感情面。隨後談到的宇宙微波背景輻射的發現與氦豐度的問題,前者是大霹靂成為主流的關鍵,後者則是大霹靂的堅強證據之一。美國貝爾實驗室兩位年輕人潘佳斯與威爾森,在測試一個喇叭狀天線的訊號時,無意中發現了宇宙背景輻射,兩人因此獲得一九七八年諾貝爾物理獎。

  威爾森曾經訪問過台灣,也針對一般民眾舉辦演講,當年的我特地參加親睹風采,會場擠滿了三百多位聽眾。演講中,他扯斷一條橡皮筋,纏上數片紙團,用兩手拉橡皮筋,展示宇宙膨脹、星系隨之伸展的情形,讓我印象深刻。演講後開放聽眾提問,有一位聽眾問他成功的秘訣。威爾森回答是辛勤的工作,外加一點機緣。這回答真是令我一輩子難忘,在我們的制式教育中,所受到的教導是努力工作,成功隨之而來。威爾森卻以親身的經歷與體驗,說明成功還需要一點機緣。這兩位年輕人力圖排除雜訊、找出原因時,辛苦地做了許多工作,意外發現宇宙微波背景輻射而獲得諾貝爾獎。同時期的狄克則沒有那麼幸運,他辛苦地從事理論計算、設計製造儀器、試圖偵測,卻被兩位年輕人先一步偵測到宇宙微波背景輻射而錯失諾貝爾獎。

  我們一旦相信宇宙是由大霹靂形成之後,很本能的會問兩個問題,一個是宇宙形成後如何演變?另一個則是宇宙的結局將會如何?書中接下來便探討宇宙的演變過程,到底是先形成一小塊、一小塊再聚合成星系、星系團等大尺度結構,還是先形成大尺度結構,再分解成小塊小塊形成星系?作者生動敘述兩派學說的創立者,以及兩派之間的爭論,可以清楚看出這些傑出人物的個性與風格。

  隨後再回到哈伯常數的測定。哈伯常數的精確數值非常重要,關係著宇宙的大小與年齡。但是要精確測出哈伯常數,就需要觀測遙遠的星系,而距離越遠的星系,距離測量的誤差就越大,甚至無法得到可靠的數值,這就陷入一個死胡同。為了解決這個困境,桑德志費盡心思找出各種方法,也揭盡所能發揮觀測技巧,希望能觀測那些可以作為距離指標的各種黯淡天體。至於宇宙的命運,宇宙到底是永遠膨脹呢?還是總有一天會逆向收縮至宇宙末日?科學家提出另一種策略,即測量宇宙空間的質能密度,這只需觀測局部的空間,不需要像哈伯常數一樣深入到數十億光年以外的宇宙深處。如果密度超過臨界值,則宇宙遲早被重力拉回而造成宇宙末日,反之則永遠膨脹下去。

  書中再則敘述量子力學、量子色動力學與宇宙論的進展與實驗,建立宇宙大霹靂之後數秒內發生的情景,希望將大尺度重力和原子核內的小尺度作用力整合起來。這是宇宙學家與粒子物理學家攜手合作與競爭的故事,也是理論與實驗相互競逐的故事。這部分的專有名詞或許連物理學家也不容易弄得清楚,可能需要反覆多看幾遍與反芻才能抓住大意,不過秉持作者的一貫風格,這幾章的人物故事也是相當精采。

  量子理論和廣義相對論捉對廝殺難分難解之時,提出「宇宙暴脹理論」的谷史從中殺出一條血路。谷史的中學、大學及其後的研究生涯曲折迴繞,充分顯示出美國教育制度的極大彈性。對於優秀的傑出年輕學子,必須為他們提供能夠充分發展的環境,也須充分尊重他們的興趣與意願,這部分確有值得國內教育界參考與反省之處。敘述暴脹理論的同時,作者也安排了一個小插曲,顯示出霍金頑強個性傳奇的陰暗面,相當有趣,值得一讀。

  前面曾經提到測定哈伯常數的重要性,這場爭論延續了十多年。桑德志得到哈伯常數約為五十,顯示宇宙年齡約為一百五十億年。然而另一些研究群提出哈伯常數約為一百,顯示宇宙年齡不到一百億年。全世界都等著看,到底哪一個數值才是對的;我在那個紛擾的年代,每次教書提到宇宙論時,雖然我個人比較偏向低的數值,卻也無奈總得將兩者相提並論。由此看來,測定哈伯常數需要新的方法與技術,書中也敘述一批年輕人另起爐灶,設計靈敏的電子儀器,可以進行廣泛的星系紅移觀測而推算比較精準的哈伯常數。

  此外,科學家逐漸發現,宇宙的命運端視物質的密集程度而定,物質多而密,宇宙便會被強大的重力吸引,最後形成一場末日般的「大崩墜」;另一方面,物質少而稀,則宇宙將永遠膨脹下去。女性天文學家魯賓研究星系的旋轉現象時,發現她所測出的質量遠比光學觀測所得的質量多得多,這些無法直接觀測到的物質被稱為「暗物質」。暗物質的本質引起了重大的爭論,許多人都想解決這個疑難。本書敘述兩大陣營分別擁護「熱暗物質」(微中子)與「冷暗物質」(大質量弱作用粒子)的不同觀點,兩派引經據典爭論不休,不過到目前為止,暗物質究竟為何仍處於探索、揭密的階段。

  宇宙的起源,永遠是動人心弦的論題。書後也具體探討宇宙的創生理論,整合廣義相對論與量子力學的「量子宇宙學」已經春芽初萌,即將成為「時尚」。讀者也可以在書末看到桑德志的數據歷經挑戰、奚落終於被確認,作者認為這是傳承交棒的時刻,交織著欣慰、感傷,是一種難以言喻的情緒。

  本書最早於一九九一年出版,在這十多年中,宇宙論方面的觀測與理論有許多新發展,本書在後記〈黃金年代〉一文中,簡短補充一些最新進展。此外,人總是好奇的,對這些傑出人物與天才,人們有更多的好奇。尾聲〈爾今安在否?〉對於書中人物給了最新的簡介。多數人仍在崗位上,有些人年老辭世,也有些人英年早逝,回顧英豪來時路,不禁讚歎、唏噓,情緒也是一時難以平息。

宇宙、物理與科學人

  借用英國大文豪狄更斯在《雙城記》中開頭的話語:「這是最好的時代,這是最壞的時代;這是智慧的年頭,這是愚昧的年頭;這是信仰的時期,這是懷疑的時期;這是光明的季節,這是黑暗的季節。」宇宙學的發展也正處於希望與失望交錯的時代,如同波濤洶湧,許多新的想法提出,旋即如泡沫般消失,少數概念被保留下來,卻又受到修訂……。宇宙學正等待黎明的到來,目前似乎看到一絲曙光的跡象。

  宇宙學正處於百花齊放、百鳥齊鳴的時代。在這領域的學者都想一統各種作用力,提出符合觀測數據的「大一統理論」。「留名青史」的想法也許低估或侮辱了他們,事實上他們最大的樂趣是想找出宇宙創生的奧秘,名聲、諾貝爾獎……不過是伴隨而來的副產品。也靠著這些執著尋夢、逐夢踏實的一群人,讓我們得以一窺天文觀測者辛勤觀測到的宇宙點滴、理論家腦中不可思議的想像,以及兩者結合共創的宇宙圖像。

  科學與技術常常互補,本書之中也呈現了這種趨勢。觀測數百萬光年至數千萬光年之外的星系影像,尋找其中的造父變星,測量其亮度變化的週期,是獲得這些星系的精確距離的重要關鍵。哈伯常數建立在遙遠星系造父變星的亮度變化週期上,但是要觀測這些遙遠的黯淡光點並不容易。新的電子感光技術、太空望遠鏡等新的技術一出現,常被這些辛勤工作的傑出人物用來探索宇宙的奧秘。技術促進科學的發展,科學又常讓技術更上一層樓。

  由於人類目前的技術所能製作的粒子加速器,能量仍然距離所需的等級差得太遠,無法產生理論預測的粒子,因此大霹靂這個理論,給粒子物理學家提供了一個絕佳的舞台,做為驗證「標準模型」的最佳工具。在宇宙創生的瞬間,溫度、密度都高得讓所有作用力都等價齊觀,隨著宇宙膨脹、溫度降低,才逐漸形成目前的宇宙。我們應該可以找到一些宇宙創生時的遺跡,作為檢驗「大一統理論」的證據。大霹靂理論在宇宙學家與粒子物理學家之間搭起一座橋樑,看起來,這座橋在未來仍會續存好一陣子。

  本書洋溢著人性,字裡行間流露出傑出人物的鮮明個性與情操。科學家與你我凡人一樣,時而高貴、時而矯情,人性的光明面與陰暗面同時共存。雖然仍有少數例外,也常有不合求去的例子,不過科學界確實已越來越依賴團隊合作,不論團隊大小,合作夥伴常是榮辱共存。另外值得強調的是,不論是直接或間接,思想傳承在學術界仍是重要的因子,如此一來,科學方得以站上前人的足跡而繼續前行,但同時也需要一些才華洋溢的天才開創新路。

  早在兩千多年前,古希臘學者已經提出對宇宙的看法。西方文藝復興時期現代科學興起,至今不到六百年間,我們對宇宙的看法已經數次更替。自從量子論與廣義相對論提出以後,出現許多有關宇宙論的科普書籍,但是很少能像《宇宙的寂寞心靈》一樣,將「後量子論與廣義相對論」時代的宇宙論,呈現比較完整的面貌。這是一本敘述二十世紀科學家發現宇宙的故事。

  宇宙極其浩瀚,時間的延續超乎一般人的想像。就像登高山常有孤寂之感,這些探索宇宙的族群,全球為數再多也屬於稀有一族,往往無法與人分享探索宇宙的甘苦,是屬於寂寞、孤獨的一群。然而這些孤寂的心靈,在他們的圈子裡互相爭辯、挖苦、研討,宇宙的圖像才一小塊、一小塊的呈現。目前即使無法一窺宇宙全貌,悲觀者甚至認為不可能縱窺宇宙全貌,但是我們確信,這些探索宇宙奧秘的孤寂心靈,仍會持續探索下去。

 

精彩書摘

霍金和黑洞

  一九六三年,英國劍橋有一位年輕的物理學家,一位名叫史帝芬.霍金(Stephen Hawking, 1942~)的二十一歲研究生,無精打采地躺在房間裡,錄音機發出華格納的音樂巨響,科幻小說四處散置。他的褐色長髮散亂不整,戴著金屬框眼鏡,還有一對清澈藍眼,透露出愛搗蛋,或許應該說是厚臉皮的個性。霍金擁有兩種鮮明的個性,愛耍聰明,而且很頑固。然而從前一年起,他開始看著自己的四肢逐漸不聽使喚,講話含糊不清像個醉漢,雙腿偶爾還會站不穩。他原本是物理學界的明日之星,這回竟頭一次覺得物理學背棄他而去。他只能原地打轉毫無進展;對霍金來說,一九六三年的日子並不好過。他就在那一年聽說自己即將死去。

  在一九六三年以前,他的生活一直都過得很愜意。他出生於一九四二年一月八日,後來他總喜歡說,那天正是伽利略去世三百週年紀念日,他是四個孩子中的老大,成長於倫敦郊區的聖奧爾本斯。父親專研熱帶疾病,他也順理成章地走上科學之路。他回憶說:「我老是想知道所有事物的運作方法。我會把東西拆開,卻老是裝不回去。我的雙手不是那麼靈巧。」

  霍金不打算克紹箕裘,讓他的父親感到十分懊惱。他解釋說:「我覺得生物學門太不精確,它過分仰賴文詞敘述,還經常要畫細部圖解,而我向來不擅長畫圖。如今,這門學問已經比從前精確許多,尤其是分子生物學,不過在我成長時期,它還沒有出現。

  「我的真正興趣是研究基本定律。我要求知。我要知道我們怎麼會、又為什麼會出現在這裡,還有宇宙又是如何運作的。」

  出於好奇心,他在十五歲時和幾個朋友開始鑽研超心理學。他們研讀了一九五○年代在杜克大學所做的著名實驗,據說那些實驗的目的是想提出統計數據,以便驗證心靈感應和心靈傳動能力;他們也親自做了擲骰子實驗。後來他去聽了一場演講,講員是一位曾經分析杜克實驗的科學家。「他發現,只要該項實驗獲得理想結果,技術上一定有缺陷。反之,只要實驗技術完美無暇,他們就不會得到好結果。所以,我才相信那完全是一場騙局。」

  霍金申請進入父親的母校,牛津大學的大學學院(University College at Oxford),用他的英式措辭來講,他是去「讀」物理學和數學。當時,他有志於從事天文學。「我到了牛津大學天文台四處張望。他們沒有望遠鏡。唯一的觀測儀器也只是一具太陽攝譜儀。」後來,他在英國皇家格林威治天文台度過悲慘的夏天,用一具二十八英寸(約七十公分)折射望遠鏡觀測雙星,這讓霍金對觀測天文學的「印象不怎麼深刻」。他顯然不會是桑德志的接班人。

  霍金是個聰明的懶學生。教授和同學對他的印象都是:這個學生寧願找出教科書裡的錯誤,也不想做練習題。當時他蓄留一頭長髮,大家都知道他很聰明卻不愛讀書,不需要啃書就會做習題。他很少記筆記,在課堂上睡覺,還會裝腔作勢,把自己的報告輕蔑地拋進字紙簍。後來他辯稱,反正老師也不夠高明,那套系統本來就該罵。霍金生性瀟灑,很受同學歡迎。他愛開粗魯玩笑,是同夥中的老大。他的成績不錯,但不是特別傑出。

  霍金立定志向,要在畢業後進入劍橋,追隨穩態說的倡導者與國家英雄霍耶做研究、攻讀博士。不過首先他面臨了一個小問題:畢業生必須通過資優生考試。霍金的成績不夠好,沒有達到「最優」的程度,造成的影響包括他無法進入第一志願的研究所。他還可以接受一次特別口試,不過他也同時跑去申請擔任公務員,負責管理紀念碑。

  他根本不用多此一舉,口試委員對他的才智印象深刻。後來,他們還問他接下來要做什麼。霍金回答:「如果我得到優等就到劍橋,如果只是次等就留在這裡,所以我相信你們會給我優等。」結果,他果然得到優等。

  在劍橋的鵝卵石街道上蹓躂,經過高聳的禮拜堂,你會看到商店裡擺了許多條紋領帶,還有圍牆環繞的學生宿舍,每處地方都有一片只准學院成員踏入的神聖草坪,你會覺得自己就像是穿越時空,傳送到一處充滿智慧、朝氣和文化的聖殿。康河寬僅九公尺,蜿蜒流經學院後側,河岸布滿野花綠草,還有多座人行拱橋跨越河上。在一個和喣的六月天傍晚,太陽西沉薄暮籠罩,我看著浮台上的合唱團,聆聽他們的歌聲。約莫有一千人在綠油油的河岸聚集,他們當中許多人身著燕尾服,頭戴大禮帽。晚餐鈴響,學生和教職員騎著腳踏車在街上急馳,學生按規定穿著傳統黑袍,被風吹膨上捲變成黑色披肩,看起來就像是鼓動的短小雙翼,露出黑袍下更為傳統的大學生服飾,即牛仔褲和T恤。

  自從牛頓(Issac Newton, 1642~1727)猶如雄獅般在三一學院(Trinity College)的土地上昂視闊步,發展出重力定律和幾乎所有的定律,並撰寫《數學原理》(Principia)把物理學轉變為數學的一環,自此以後的三百年間,劍橋便成了積極進取的年輕英國科學家所嚮往的學術重鎮。劍橋在一九六○年代初轉型成為宇宙學研究中心,而且是不需要望遠鏡的另一種宇宙學,富勒(William Fowler, 1911~1995,美國物理學家)和伯畢奇夫婦(Margaret and Geoffrey Burbidge,英國物理學家)每年夏天都會帶著他們的學生回到劍橋漫步,與霍耶進行合作研究。

  結果霍金無法如願在霍耶(Fred Hoyle, 1915~2001,英國天文學暨物理學家)的指導下學習,因為當時霍耶不收學生,這也好,因為他的研究實在相當怪異。於是,霍金投入與霍耶同輩的理論學家夏瑪(Dennis Sciama, 1926~1999)門下。

  夏瑪的膚色曬成了棕褐色,額頭懸垂一束白髮。他很容易衝動,激動起來聲音就會變得尖銳高昂。當初他違背父親的願望,進入劍橋研讀物理學,不想繼承家族的製衣企業,讓父親覺得這個年輕兒子背叛了他。夏瑪也不是一開始就獲准進入劍橋研究所,被拒之後,他進入陸軍做雷達研究,而且憑著科學成就贏得尊重,爾後才獲准進入劍橋。夏瑪喜好哲學,他修過奧地利哲學家維根斯坦(Ludwig Wittgenstein, 1888~1951)的一門課程,這種喜好讓他偏向宇宙穩態說。他和邦第及高特成了好友。夏瑪承認自己天性衝動,而且一提到穩態說就會非常激動。他說:「我想我當時之所以會喜歡穩態說,理由是,只有這個理論支持生命終會在某處出現。我當時也堅信,你必須要有充分證據才可以駁斥這麼好的觀點。」他當時似乎是認為,只有想像力豐富、創意較高的人,才會偏好那項學說。

  一九六一年,夏瑪在劍橋組成團隊,鑽研廣義相對論和宇宙學。當時他是英國唯一講授相對論的學者。夏瑪說:「當時惠勒(John Wheeler, 1991~)在普林斯頓的角色,和我在劍橋有點相同,都在訓練廣義相對論的新生代學者,」他的神情就像位父親那麼自豪。「英國劍橋執數學界之牛耳,在美國找不到任何機構可以和劍橋相提並論。而如今我在牛津。」他笑著說,「所以你要相信我的話。當時,我待在那裡其實是一種策略,因為如此一來才能教到好學生。而霍金又是當中最拔尖的學生之一。」

  夏瑪和所有人一樣,立刻就發現霍金相當聰明卻不守紀律。至於要判斷他能不能成為一位傑出的科學家,那就另當別論;夏瑪也經常講,除非開始做研究,否則你很難論斷一個人。

  霍金在牛津大學時期就出現疾病的初期症狀,他步履蹣跚、講話含糊,進入研究所的第一年間則更加惡化。一九六三年,他的症狀經診斷為側索硬化肌萎縮症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)。ALS在英國稱為「運動神經元疾病」(motor neuron disease);在美國則通稱為「路蓋里格氏症」(Lou Gehrig’s disease,路蓋里格是美國傑出棒球員,後罹患此症)。ALS是一種漸進的神經退化疾病,患者會逐漸喪失隨意肌的控制功能,通常會導致癱瘓不能行動,並在二到五年內死亡。特別的是,患者只會喪失自主運動功能,腦部則不受影響,於是整個人就這樣被困在逐漸腐朽的軀體裡,飽受折磨。ALS的病因至今不明也沒有治療方法。霍金的未來已經註定:一根拐杖、一張輪椅、一張床,逐漸依賴他人,並漸漸喪失行動與溝通能力。終於,連呼吸都會受到影響,通常最後會死於肺炎。

  診斷結果出來之後,霍金的父親私下來到劍橋,詢問夏瑪能不能儘快授予學位。夏瑪態度堅定,拒絕了他的請求。

  霍金深感恐慌,他停止一切活動,躲進自己的房間。他說:「一旦發作起來,病情就會發展得非常快。我當時很沮喪,因為我自認為活不過幾年,而且我也看不出自己當時有理由再繼續活下去。」

  持續二年下來,他的身體逐步退化,心情也日益沮喪。他的科學表現也是一塌糊塗,夏瑪為此感到自責。他認為霍金之所以感到沮喪,有部分是他的錯,因為他還沒有讓霍金接觸到真正感興趣的研究課題。畢竟,論文指導教授有責任提攜學生找到研究主題,讓他們投入並在旁激勵。不過,「霍金始終沒有喪失開粗魯玩笑的能力,」夏瑪如是說道。

  結果一如後來的發展,霍金的生命並沒有從此一蹶不振。就在「病況」診斷出來之後不久,他碰到了一位女士並開始和她約會。其實珍(Jane Wilde)是霍金在聖奧爾本斯的同學,當時她正在倫敦大學唸中世紀韻文。珍長了一頭紅髮,生氣蓬勃,而且個性頑固,一如霍金後來表現的性格。她回憶道:「我認識他的時候,他已經出現初期症狀,」她講話的語調一絲不苟。「因此我從來沒有見過身體健康、肢體健全的史帝芬。病況的發展十分緩慢。他的個性非常、非常地果斷,企圖心非常強。」霍金個性內向而強烈,擅長分析,珍則信奉古典主義,個性外向,對藝術和音樂很感興趣,她讓霍金敞開心胸,於是兩人決定認真過日子。

  他們在一九六五年結婚。珍並沒有因為要嫁給一個可能沒有未來的人,而顯露出任何不安。她說:「我是確定了自己想要結婚,才決定要結婚的,所以,我就結婚了。」

  婚姻是霍金生命的轉捩點。突然之間,事情似乎沒有那麼糟糕;他已經成家,再也不能只考慮自己,只想到自己的困境。他說:「我的婚姻讓我決定活下去,婚姻讓我有理由堅持下去,努力奮鬥。沒有珍幫忙,我不可能活下去,也不會有意願再活下去。」

  同時,他的惡化狀況也趨於緩和;身體的退化速度慢了下來,而且還一直活到現在。夏瑪告訴霍金,顯然他會繼續活下去,所以最好還是完成論文。

  夏瑪提出一個新構想給霍金。他派霍金去倫敦見一位數學家老友潘洛斯(Roger Penrose, 1931~),潘洛斯當時正在講授一種最怪異也最讓人不解的廣義相對論預測結果:宇宙中可能存在某些區域,稱為「奇異點」(singularity),物理定律在那裡完全不成立,那裡的物質和能量,甚至時空本身,全都被摧毀(或可說創生)。霍金聆聽潘洛斯講課之後,知道自己已經找到了畢生職志。

  第一屆德州研討會就像條繩索,將許多宇宙學家和天文學家的命運緊緊連繫在一起。潘洛斯和夏瑪都參加了會議。英國的霍金則在家裡自怨自艾,完全不知道有人就要在德州舞台上道出他的終生職志。

  上台的人是普林斯頓的物理學家惠勒,他在過去十年裡,一再反覆思索奇異點和重力塌縮問題。惠勒看起來實在不像先知。他當時五十一歲,身材短小結實,性情相當謙遜,在群眾中完全不顯眼。他的穿著像位銀行家,舉止始終像個外交官那樣謙虛有禮;如果我和他一起走到門口,他永遠禮讓我先行。他的頭髮日漸稀疏,髮絲向後直梳蓋過頭頂。他的頭很大,臉龐也大得和身體不成比例;那張臉顯得沈重而嚴肅,似乎是放不下宇宙研究重擔,不過當他微笑的時候卻又如天使般無邪。其實惠勒的個性狂放不羈,這位教授偏愛隱喻象徵,也喜歡放煙火。他在辦公桌上擺了整箱煙火,不時拿出來放,還曾經在走道上發射煙火筒而名聞遐邇。他帶著淘氣的笑容問我:「如果煙火不能用來慶祝新發現,那它要用來幹嘛?」他曾經協助製造原子彈和氫彈,也曾在自家後院建造一座防輻射塵避難所。他小時候還在在俄亥俄州時,有次引爆一根雷管,結果炸掉一根手指頭。

  惠勒預定在當天下午議程進行到一半的時候,肩負一項使命走上達拉斯講台;他即將讓物理學界接觸死神,為期長達十年。他認為,自己投入終生歲月進行研究就是為了這一天。惠勒是兩位英雄的忠實信徒,一位是丹麥的傳奇理論學家波耳(Niels Bohr, 1885~1962),量子理論的肇建者。惠勒在波耳的哥本哈根大學理論物理研究所度過難忘的一年,並成為他的終生研究夥伴。惠勒柔聲說:「波耳那裡的人員組成一支超越國界的忠誠研究團隊。你可以與人討論佛陀、耶穌、摩西還有孔子。不過,只有和波耳交談過後,才讓我深深相信真的有這種人存在。」

  另一位則是愛因斯坦。當年輕的惠勒在普林斯頓大學教書的時候,愛因斯坦也在普林斯頓高等研究院。惠勒回憶道:「那時候,你得要鼓足勇氣才能見到他,」他後悔自己當時太過害羞,以致沒有拿奇異點的相關問題來追問愛因斯坦。「提到原子彈,最大的奧祕是它竟然可以製造出來。同樣地,就愛因斯坦而言,他已經完成對全人類最偉大的貢獻,讓人們可以懷抱希望去了解宇宙。人是很難比較的,但儘管我也佩服愛因斯坦,我還是認為波耳比較偉大。愛因斯坦可以說是在宣揚目標,指出值得努力的方向,波耳則是傳授方法和風格,即持續不懈地討論,薪火相傳。」

  直到一年之後,惠勒才初次見到霍金。霍金後來沿襲惠勒的精神,成為他最了不起的學生,因為霍金繼承了黑洞的思想,並佔有最重要的地位。惠勒巧妙稱呼這個主題為「最終狀態議題」。不過,其實是潘洛斯最先投身鑽研於此,並做出最燦爛、最優雅的成果。

  潘洛斯出身於英國的書香世家,他的家族與赫胥黎家族相似,過去幾個世代都有重大的貢獻。他的父親是知名的優生學家,潘洛斯則是以幾何學見長。他具有設計天分,曾經和德國藝術家埃歇爾(M. C. Escher, 1898~1972)合作多幅著名的「不可能的畫作」(註:例如「潘洛斯樓梯」,圖中的階梯環繞樓塔上升,最後竟然首尾相連)。潘洛斯長相英俊,一頭雜亂的褐色捲髮,讓他看起來有點心神不寧;他在一天工作將盡之際,襯衫下襬經常露在外面。他如工匠般的言行舉止掩蓋了他超凡優雅的數學才分。夏瑪設法說服潘洛斯,應該運用這種天分去研究廣義相對論。潘洛斯同意他的看法,於是把廣義相對論當作一個四維幾何學問題(事實上也確實是如此),並運用紮實的定理和優雅的證明做深入鑽研。他的論文和計算結果看似潦草難辨,不過最後讓惠勒的學說得以蓋棺論定。

  許多科學家都指望或相信奇異點只是純理論的數學現象,就像大一習題裡的無摩擦斜坡或永動鐘擺一樣,無法在現實生活中實現。真正的恆星應該不會發生球體對稱塌縮,尤其是本身會旋轉的恆星,而幾乎所有恆星都會自轉;也許恆星會繞著核心迴旋轉動,而不會崩潰塌縮成奇異點。結果,我們並沒有這種好運。潘洛斯在一九六五年證明了恆星在失控塌縮後會形成貨真價實的奇異點,任何黑洞裡面都必然有個奇異點。夏瑪稱此為:自廣義相對論建立以來最重要的一項貢獻。實際上,潘洛斯等於是證明了,只要累積了充分的物質和能量,時空就有可能終結。

  霍金是個學習速度很快的學生,他吸收了潘洛斯的方法,在論文最後一章採用了這些技巧來分析開放宇宙(永遠膨脹的宇宙),這等於是恆星塌縮的反面現象。夏瑪高興地說:「那是最精彩的部分。」霍金的結論是,只要廣義相對論正確,那麼在宇宙歷史中,總有一天會出現至少一個奇異點。就以膨脹中的宇宙而論,在一百億或兩百億年之前,就絕對出現過至少一個奇異點。如果他讓膨脹中的宇宙逆時間運行,猶如影片倒帶一般,則物質密度和輻射強度會提高到無窮大,到最後,天空裡的唯一光線就像條毯子,把宇宙萬物全部捲進奇異點裡去。後來,霍金和潘洛斯合作撰寫了一篇論文來引申這種論點,並描述膨脹宇宙的所有模型。霍金生性喜做保守論述,他只淡然承認,就某個意義來說,或許這種奇異點正是宇宙的起源。

  到了一九六○年代末,霍金的日常行動已經變得相當吃力,他步履蹣跚,瘦弱身影出現在重要的研討會上,奮力坐在第一排並提出尖銳的問題。獲得博士學位後,他就留在劍橋擔任研究教授。霍金同時服務於兩個系所,一個是應用數學暨理論物理系,位於市中心,系館像是一棟工業建築;另一個則是霍耶的理論天文學研究所(一九七二年,該研究所和隔壁的舊天文台合併,並去掉「理論」一詞,霍耶便在此時辭職),位於市郊一棟低矮的現代建築內。霍金坐著一部小型三輪車往來通勤,身體繼續緩慢退化。一九六九年,他拋掉手杖坐上輪椅,但也開始發揮頑強天性。他儘可能拒絕別人協助,自己獨立行動。他住在劍橋的一間低矮連棟住宅裡,訪客看著他光是爬上一段階梯就要花上十五分鐘。不過他的日子照過,一九六七年,珍生下長子羅勃特。

  珍給我看當時拍的一張黑白照片。照片裡的他們正要出發參加朋友的婚禮,霍金身著西裝,珍則是穿了迷你裙,微風吹拂,帶點喜氣卻又顯得有些虛幻。霍金體格纖細,倚著手杖,身著流行的大學生服飾,髮型時髦且蓬鬆,戴著一付貓頭鷹似的黑框眼鏡,在樹蔭下顯得全神貫注,不過也有點像是發呆出神。看起來,他們和數千對年輕學者夫妻沒有兩樣,匆匆度過一九六七年的時光。

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