水母老師
史蒂芬·霍京 著 藝文印書館印行 1991年四版
「這世界最令人費解之事，莫過於祂可被理解。」這句由偉大物理學家愛因思坦說出的話，我一直覺得非常有共鳴。從小我就喜歡望著星空，天空中繁星若塵，一個個都是比太陽更耀眼的存在，在光年之外，上演著一場一場的元素之舞。宇宙的浩瀚無垠令我醉心、宇宙的廣大更令人神往；好奇心旺盛的我並不滿足於只是「觀賞」星空，我想要「了解」這些星星是什麼、我想要知道「宇宙從何而來？往何處去？」，「時間簡史」就是我小時候，第一本接觸的科普書。
對當時從未上過物理課的我而言，書中的概念並不艱澀難懂，可能是因為好奇心使然，或是書中沒有使用複雜的數學式，而是使用淺白的文字傳達概念。在書中，我第一次知道了「時空」這個概念，時間和空間不再是獨立的兩個概念，相反的，他們有著密不可分的關係，互相影響著。我也打破了有關「相對論」的誤解：「一切都是相對的」、「相對論就是E=mc2」。我瞭解了「時間、空間」的表述都是相對的，沒有任何一個慣性座標系是特別的。這些皆起因於一個「絕對」的事實：光速不變原理。在每一個慣性座標系的真空光速都是固定，這個事實曾經困擾許多偉大的物理學家，但若我們接受這個被實驗證實的事實，便可以得到許多有趣的結果，如：「長度收縮」、「時間膨脹」。更有趣的是有關「廣義相對論」的討論，霍京在書中以相當淺顯的手法比喻了廣相的一大精髓：「重力即幾何」註一，重力可以等價於時空的彎曲。廣相解決了著名的水星進動問題、現在我們使用的GPS，也需要進行相對論性修正，才能達到我們所需要的定位精度。廣義相對論另一個重要的預測是重力波，我個人喜歡用「時空的漣漪」來形容這美妙的預測，能夠觀測到重力波更加證實的廣義相對論的正確性。宇宙這麼廣大，在地球上的我們居然能夠從「一方程式見宇宙」註二，真的讓人感到驚艷。
大至宇宙，小至原子以下，都是物理學的研究範圍。「大」的尺度有了「廣義相對論」，「小」的尺度則完全離不開「量子力學」。量子力學掌管的「小小世界」跟我們日常的直覺有著非常大的差異，一個極為重要的概念就是書中提到的「測不準原理」，霍京在書中有這麼一句話：「海森堡測不準原理是世界的一個基本不可迴避的性質」。「測不準原理」不僅僅是描述物體的動量和位置無法被同時量測，更重要的是，他使「一個完全宿命論的宇宙模型的夢想壽終正寢」註三。由於粒子同時具有波的特性，許多有趣的結果因此產生，像是電子軌域。如果沒有量子力學，就沒有我們的手機，也沒有半導體產業。量子力學另一個重要的貢獻是「標準模型」，標準模型中包含了基本粒子家族：夸克和輕子，以及基本交互作用力的交換子，光子負責電磁作用力、膠子負責強作用力、W、Z玻色子負責弱交互作用力。還有「希格斯玻色子」，希格斯玻色子的發現也等於是替標準模型打上一劑強心針。霍京在書中也用了撲克牌和圓球來比喻「自旋」不同的粒子，並介紹了包立不相容原理。標準模型雖然厲害，但也不是「萬有理論」，因為他並不包含重力的描述。如何結合描述重力的廣義相對論和描述其他作用力的量子力學，便成了物理學界追求的聖杯。
在大部分的時候，小尺度系統的重力是微不足道的，大尺度系統的量子效應也是。但書中也有提到，在處理宇宙大爆炸之初和黑洞問題時，由於尺度非常小，量子效應扮演了極為重要的角色。霍京在書中淺顯的介紹了黑洞，也提到了有趣的打賭，就是霍京與今年諾貝爾物理學獎得主索恩教授關於黑洞是否存在的打賭，霍京輸了這次打賭，因為成功觀測到了黑洞存在的證據。黑洞其實並不是一個真正的洞，而是逃逸速度超過光速的一種天體，事件視界內部會有「奇點」這個無法被處理的點。書中也提到了羅傑潘若斯提出的「宇宙監察」理論，亦即「裸奇點」必不能直接被觀測到。黑洞所具備的可觀測物理量也極少，它的大小與形狀只與其質量、角動量有關，與黑洞形成之前的物質特性無關，這被稱作「黑洞無毛」，是黑洞一個極為重要的性質。黑洞的「黑」也不是黑暗的黑，而是「黑體輻射的黑」。黑洞是有「溫度」的，其質量越大，溫度越低。黑洞會釋放「霍京輻射」，並漸漸減少質量。質量越大的黑洞輻射越慢，越小則輻射越快。
簡單介紹完黑洞之後，霍京介紹了「宇宙的起源和命運」，第一步當然是先介紹「大爆炸」這個理論。Big bang這個名詞是來自一位支持「穩態宇宙論」的物理學家，為了譏諷大爆炸理論說出的，卻成了家喻戶曉的名詞。書中也提到了微波背景輻射的故事，包含有趣的αβγ和意外發現背景輻射的團隊。霍京也提到了大爆炸模型的一些問題，像是為何宇宙如此各向同性，然後宇宙微小的不均勻來自何處。霍京也給出了一些答案，根據他與潘若斯的工作結果，宇宙必始於一個奇點，無法被現今的物理學所描述。接著霍京介紹了「時間箭矢」的概念，並引入「熱力學箭矢」與「心理學箭矢」等時間箭矢，也介紹了熱力學第二定律。最後，霍京簡單介紹了他所喜愛的理論，弦論，做為萬有理論的候選者，還有超過四維的時空，可惜弦論遠遠超越我所能想像、認知的範圍。霍京最後給出了一個結論，如果我們找到了一個完整的理論能使不僅僅只有少數科學家理解，那便是人類理智的終極勝利。
舊版的書中內容比新版的不足，也有些後來發現的東西沒有被收錄進去，但仍然是一部經典之作，雖然真的不是一本適合給初學者閱讀的書籍，但也是一部能讓我們一窺大師之心的好作品。這世界最令人費解之事，莫過於我們能夠理解、能夠欣賞、讚嘆宇宙之美。探索星空是人類永恆的願望，探索最後的疆界，勇闖前人未竟之境，儘管我並不是參與其中的物理學家，但能夠欣賞、讚嘆、嘗試去理解，也是一件讓我非常感動的事情！最後，祝福所有勇闖前人未竟之境的科學家：
“Live long and prosper !”
註一：來自英文原文：“Gravity is geometry“ ，高涌泉教授相對論開放式課程
註二：源自臺大科教中心探索講座第14期，「一方程式見宇宙，愛因斯坦方程式一百週年」，記憶中是來自「一粒沙見世界、一朵花見天堂」
註三：書中內容
參考資料：
完美的理論：一整個世紀的天才與廣義相對論之戰 天下文化出版
夸克仙蹤 天下文化出版
大設計 大塊文化出版
天文學新概論
臺大科教中心探索基礎科學系列講座第9、第14期特刊
