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。

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