第五章 那關於一切的理論 IV ─ 陪你讀霍金《大設計》The Grand Design

陳以聖 / 原載:κrazian

這裡霍金舉了地圖的例子。地圖是平面的,也就是二維的空間;而真正的地球是立體的球形,是三維的空間。地圖看習慣了,往往會「扭曲」了這個世界。住在北半球的多數人都說,南半球的國家是在「下面」。住在歐洲的人,就說亞洲在「遠東」,後來連美國人也都這麼說,儘管他們要去亞洲的時候,並不會笨到真的向東飛行。

飛機的東西航路,如果不是沿著緯線劃出,就納悶它為什麼不走「直線」,而要多耗費油料走「曲線」?殊不知,由於地圖本身是扭曲的,除了橫向的赤道線,和正中間那條垂直的經線以外,所有地球上任意兩點間的最短距離線,在地圖上看起來都變成曲線了。反之,在地圖上畫一直線,就誤以為在真實世界中,那,就是最短的距離。

時空上所謂的「扭曲」,並非肉眼所能看見,而只是就其達成的效果而言。也就是說,在你眼中以為它繞了遠路,實際上它走的才是真正的近路。這個「近」的意義,不能用習慣上的「距離」來體會,而要從「省時」、「省力」的角度來思量。不論什麼物體,進入時空扭曲地帶,都會自然而然的偏向,因為那樣「省時又省力」。牛頓時代一直到現在,我們都管它叫「重力」,一種自然界的原力;愛因斯坦則不視其為一種力,而稱之為「時空扭曲」現象。

愛因斯坦這套說法,不但解釋了重力現象,也就是物體進入引力範圍內時行進路線的改變,甚至還預測了光線進入扭曲地帶,也難逃「轉彎」的命運。充滿懷疑的科學家們,在一次日蝕時傾巢而出,屏氣凝神,細心觀察太陽的周遭。結果,就像台灣記者的口頭禪:有人「大呼不可思議」,有人則「大呼過癮」。因為,原認定該被太陽擋住的遠處星球,竟然被地球上的我們,「看」見了。這證明遠處星球所發出的光線,在通過太陽旁邊時繞了個彎,就像之前的例子,保齡球通過巨嬰時轉了彎一樣。這就是那赫赫有名的「一般相對論 General Relativity」了(或稱「廣義相對論」)。「特殊相對論」談光速的絕對與時間的相對;「一般相對論」則再加上「重力」對時空的扭曲效應。

才剛剛打破「時間是絕對」的想法,現在又馬上推翻了「距離是不變」的觀念。物質的世界終於逐漸向心靈的世界靠攏過來。自有文學以來,人們就忽爾「時光似箭」、忽爾「度日如年」。同樣的時間,陪伴帥哥美女就轉瞬即逝,聆聽師長訓話就如坐針氈。對於距離也是浪漫得很:心儀起來,天涯可以若比鄰;翻臉過去,咫尺立刻成了天涯。還說兩個人之間「最遙遠的距離」,就是「對面不相識」;又說,兩個人之間最近的距離不是直線,而是迂迴轉進。可見人的本心裡,原就蘊藏了宇宙的深奧哲理,並非一定得靠量子物理,才能悟道。不過,雅好參禪的朋友,建議還是來參「量子禪」,別枯想那些極端做作的故事或公案,參透的機率應該高出許多。

雖然相對論是那麼的神奇,但是,我們之前談的「多重歷史」還算不算數呢?不管「特殊相對論」也好,加上重力扭曲時空的「一般相對論」也罷,如果不談「多重歷史」,那麼,和牛頓時代的古典力學,不就都是一個樣了嗎?因為,談的就都是「單一」歷史了,或者說,是因果明確的宇宙道理,完全沒有不確定性的「機率」蘊含其中。那麼,這「古典」、「現代」兩派學說,該如何統整起來,自圓其說?

當然,古典物理學描述的是較大尺度的現象,是我們看得見、摸得著的世界,或更大的天體運行的道理;量子理論則主要來自於次原子世界的行為描述。可是,以麥斯威爾的電磁力─光而言,理論的發展至今已經相當完備:從微小的尺度,光子的量子現象;到大尺度,特殊相對論光速的絕對性,都有個說法。那麼,重力呢?也就是一般相對論的時空扭曲呢?它在微尺度下的量子理論是甚麼樣子?

宇宙大爆炸之最初,很小很小。在那微小的尺度下,必須要有「一般相對論」的「量子版本」,才能描述、解釋。更進一步的說,量子現象,也就是「多重歷史」、物質能量二元的「不確定性」等等道理,既是如此「千真萬確」的事實,那麼,對於宇宙中所有的原力,以及這些力所產生的現象,勢必都要有個「量子版本」,才算完整的交待,不是嗎?

我們所談的宇宙中的原力(forces of nature)共四種:

  1. 「重力gravity」,雖然很弱,但是質量愈大,所累積的重力愈可觀。
  2. 「電磁力electromagnetism」,很強,是帶電粒子之間的作用力,同性相斥、異性相吸,但在一般物體之間不起效用,因為正負彼此都抵銷掉了。
  3. 「弱核力weak nuclear force」,放射線的來源,是形成元素的關鍵力。
  4. 「強核力strong nuclear force」,乃原子核,甚至質子、中子等基本粒子不致崩解的原力,也是太陽能、核能的源頭。

一般的力量我們容易懂。被同學打、被車子撞、被狗咬,我們都知道,力量的傳遞靠「接觸」。可是上面提到的宇宙原力,都不需碰觸,就可造成影響。於是,有人就稱之為是「超距力」,以資區別。但是追根究柢,同學真的有打到你嗎?車子真的撞到了你嗎?狗真真確確的咬到你了嗎?這不是在硬拗,我的意思是,在微小的尺度下,以電子顯微鏡放大看,你我的原子和原子之間,或更精確的講,圍繞在原子周圍的電子彼此之間,真的會碰「到」嗎?其實,並沒有。換句話說,所有的力都是「超距」力。所以,談到宇宙原力,「超距」就成了多餘的詞了。

不過,科學頑童費曼偏偏反其道而行。「反其道而行」是表現天才的必要舉動,當然,你還得最後真的解決了問題,並得到大家的認同讚嘆,才行。費曼不喜歡用「力場」這種玄妙的概念,來說明電磁力的傳遞。他為了方便解釋、計算,而發明了「玻色子boson」。這玩意兒和舍利子沒有甚麼關係。你可以想像,玻色子就是把「力量」帶來帶去的那個無形的「東西」,而且,它還「撞來撞去」,一點也不「超距」。費曼拿這想像的東西,來計算電磁場的量子效應(QED:Quantum Electrodynamics),結果好用得很。大家爭相模仿,從此,變成圈內科學家計算各式「量子力場」的泛用工具。

這好比兩個敵對大國的君主,表面上莊嚴尊貴,彼此王不見王,暗地裡卻開闢「第二管道」、「第三管道」,透過企業人士、軍火販子、半官方民間組織、甚至動用密使、「熱線」,打得火熱。又好比「傲慢」碰上「偏見」,大家下巴抬得半天高,臉上充滿鄙夷與不屑,私底下卻魚雁往返,款曲暗通,沒個完了。旁觀者搔耳抓腦,只見其然,不辨其所以然,完全理不出頭緒。玻色子就是那些頻繁往來的中間人、信使、郵差,將影響力來回傳遞著。產生的結果,就是兩造因此「靠近」了,或「遠離」了。看似沒有接觸,卻得到接觸後的效果。

之前談到,我們所見的「單一歷史」,其實是「多重歷史」疊加後,所顯現的「總效果」表象。應用在玻色子的情境當中,就是其力量的傳遞有無限多種方式:各種角度、力道、「發射」與「接收」的時機等等。「發射」指的是玻色子從甲方或乙方出發,「接收」則是玻色子到達乙方或甲方,並被吸收。費曼將這些有趣的情境作圖,還漆在他的箱型休旅車上,四處招搖搞笑,一派科學頑童的典型作風。

Comments

讀著 讀著....就結束了
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時間是另ㄧ維度並與空間交錯
宇宙時空的扭曲->形成重力的現象
換句話說 以上為真的話
時間流動感的過去,現在,未來 就只是人類大腦思維的錯覺->看著時鐘在走 就覺得真的有這麼ㄧ回事,光陰似箭的飛逝
我們會以觀察者的身分去描述空間座標(x.y.z)或(-x.-y.-z)
但是對於時間的觀察"自我"總是涉入太深,忘記時間僅是度量刻度
"光陰者,百代之過客也。而浮生若夢,為歡幾何?"自古以來都說光陰不再感嘆時間流逝不復 但事實是這樣嗎?????
昨日開車時 因攜子外出上課 因忘了帶嬰兒推車 而心中懊惱不已未來的不便..突然有以下所悟
我若觀察考量同時刻發生的事件A 兒子的積木火車從桌面掉下而分解  B女兒的數位相機從桌面掉下而分解 C馬麻的小貓咪從桌面掉下而分解(死亡)
但是想像一下 在沒有時間的提示下(如:時鐘、日光或密閉空間等)A、B、C事件
對我而言C事件會感嘆馬麻為什麼(過去)不小心,而讓小貓咪從桌面掉下而死亡(現在),而且死不復生,心情要懊悔難過好幾個月(未來)。於是時間的流動感出現了。但事件A對我而言時間只是刻度,不具意義,或甚至不需它的存在。我只要再將積木重組就好了兒子依然可以高興繼續玩耍。
專心對回復熱力學定律的亂度做功(做積木)就好了 ,亂度已超出回復機率時(死亡),也不用太難過,嘿嘿因為受環境資訊滲透的巨觀量子力學仍會將我們糾纏entanglement,雖然感受不到,但卻不能否定它是不存在的
體悟到活在當下啊!、活在當下啊!時常聽到但要做到真的很難…….
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最最現代的思維,就是:所有事情都「同時」在發生著;改變現在,不但改變了未來,也改變了過去。這是遠比《The Secret》更令人著迷的體會。米漿兄在這條求「道」的路上是個先行者。

沒事看看閒書偶有新感受 是一件幸福的事
說求”道”太沉重 好玩的成分應該多一些
感謝您不嫌棄 能在您的部落格寫寫聊聊
說真的”大設計”或”量子力學”等 對於已脫離學校甚久的我 有時要找人”清談”一下 有嘗試過,,,,,呵呵.也沒人理...

求道、尋路、找答案,只是說法用詞的差異而已
人人都愛猜謎,也就都有窮究的心,所以才產生了宗教與科學
為輕為重,甚至有沒有興趣,全在個人的自由意志
自由,真好

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