神的方程式：對萬有理論的追尋(CK00082)
The God Equation: The Quest for a Theory of Everything

類別： 自然‧科普‧數理>科學
叢書系列：科學人文系列
作者：加來道雄
       Michio Kaku
譯者：蔡承志
出版社：時報出版
出版日期：2022年04月22日
定價：380 元
售價：300 元(約79折)
開本：25開／平裝／256頁
ISBN：9786263352469

【內文摘錄】

▼  內文摘錄

前言：簡介最終理論

它的目標是要成為最終理論（final theory），那是個單一的框架，循此來統合宇宙的所有力，並編排出從膨脹宇宙的運動到次原子粒子的最細微舞動等所有動作。箇中難題在於要寫出一則具有高度數學優雅特性，並能把物理學完整包納在內的方程式。
好幾位舉世最出色的物理學家都潛心探尋。史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）甚至還為他的一次演說冠上一則帶有喜慶意味的標題 ─〈理論物理學是否終點在望？〉（Is the End in Sight for Theoretical Physics?）。
倘若這項理論成功了，那就會成為科學的巔峰成就。它就會成為物理學的聖杯，那會是一則公式，而且原則上從它就可以推導出其他所有方程式，從大爆炸開始，接著一路進展來到宇宙的終點。那會是自從古人問道：「世界是以什麼組成的？」以來，歷經兩千年科學探尋所成就的最終產物。
這是個令人屏息的願景。

愛因斯坦的夢想
我最早是在八歲童稚時期見識了這個夢想所帶來的挑戰。有一天，報紙發布一位偉大科學家去世的消息。報紙上刊出了一幀令人難忘的照片。
那是他的書桌的影像，上面有一本攤開的筆記簿。文字說明聲稱，我們這個時代最偉大的那位科學家，沒辦法完成當初由他所啟動的工作。我覺得很驚奇。到底是什麼問題那麼困難，連偉大的愛因斯坦都解決不了？
那本簿子裡面寫了他的未完成的萬有理論（theory of everything），愛因斯坦稱之為統一場論（unified field theory）。他想擬出一則方程式，或許不比一英吋還長，藉此他就能夠，按照他的說法，「讀取上帝的心思」（read the mind of God）。
當時我並沒有完全意識到，那是個何等壯闊的問題，於是決定追隨這位偉人的腳步，期望能扮演個小角色，協力完成他的求知使命。
然而還有其他許多人都試過了，而且失敗了。如同普林斯頓的物理學家弗里曼．戴森（Freeman Dyson）所述，通往統一場論的道路上，滿失敗嘗試的屍骸。
然而，時至今日，許多領導物理學家都認為，我們終於逐步向答案趨近了。
領先的（也是我心目中唯一的）候選理論稱為弦論（string theory），根據這個學理，構成宇宙的並不是點狀粒子，而是纖小的振動弦，發出的每個音符分別對應於一顆次原子粒子。
倘若我們有一台倍率夠高的顯微鏡，我們就能看出，電子、夸克、微中子等，其實都只不過是模樣像橡皮圈的纖小環圈的振動。只要我們以種種不同方式來撥動橡皮圈充分次數，最後我們就會創造出宇宙間的所有已知次原子粒子。這就表示，所有物理學定律，全都可以歸結化為這些弦的和聲。化學就是我們能以那些弦奏出的旋律。宇宙就是一首交響樂。而上帝的心思，愛因斯坦以妙筆寫出的課題，則是在時空中共鳴的宇宙音樂。
這不單只是個學術問題。每當科學家破解了一種新的力，結果都改變了文明的進程，並扭轉了人類的命運。舉例來說，牛頓發現了運動和重力的定律，為機器時代和工業革命奠定了基礎。麥可．法拉第（Michael Faraday）和詹姆斯．馬克士威（James Clerk Maxwell）有關電與磁的學理解釋，為我們的都市照明鋪設了坦途，並帶給我們強有力的電動馬達和發電機，以及藉由電視和收音機的即時通訊。愛因斯坦的 E = mc2 解釋了恆星的動力，並協助破解了核力（nuclear force）之謎。當埃爾溫．薛丁格（Erwin Schrodinger）、維爾納．海森堡（Werner Heisenberg）和其他人解開了量子理論的祕密，他們也為我們帶來了今天的高科技革命，還賦予我們超級電腦、雷射、網際網路和我們客廳裡面的種種驚人美妙器具。
追根究柢，那所有現代技術，全都根源自逐步發現世界基本作用力的科學家。現在，科學家已經有可能把統一這四種自然力 ─重力、電磁力和強核力與弱核力 ─的理論彙整起來，構成單獨一個理論。到最後，它就有可能破解科學一切範疇的最深奧謎團和問題，好比：
● 大爆炸之前發生了什麼事情？為什麼一開始會出現大爆炸？
● 黑洞的另一端有什麼東西？
● 時光旅行有可能成真嗎？
● 是否有通往其他宇宙的蟲洞？
● 是否有更高維度？
● 是否有平行宇宙構成的多重宇宙？
本書敘述探求這種終極理論的尋覓過程，以及當中種種離奇的迂迴轉折，鋪陳出了這段無疑是物理學史上最古怪的篇章之一。我們會回顧所有先前的革命，那些變革賦予我們種種美妙的技術產物，從牛頓革命開始，接著一路推演到電磁力的掌握，還有相對論和量子理論的開展，以及今天的弦論。而且我們還會解釋，這項理論如何有可能也破解空間和時間的最深奧謎團。

批評陣營
  不過障礙依然存在。儘管弦論激發出振奮激情，批評人士向來熱衷於指出它的缺陷。接著在種種宣揚炒作和狂熱舉止之後， 真正的進展遲滯了。
最明顯的問題在於，儘管媒體阿諛稱頌那項理論的美和複雜性，我們卻沒有可測試的具體證據。我們一度寄望於大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC），位於瑞士日內瓦郊外的史上最大型粒子加速器，期盼它能找到最終理論的確鑿證據，如今這卻依然捉摸不定。大型強子對撞機能夠找到希格斯玻色子（Higgs boson），這種粒子號稱上帝粒子（God particle），卻只能算是最終理論一片細小的缺失拼圖。
儘管目前已經提出了好些深具雄心抱負的提案，建議建造威力更強大的機型，來接替大型強子對撞機，卻沒有人能擔保，這類昂貴的機器找不找得到任何東西，也沒有人能明確知道，到了哪個能量尺度，我們就能找到新的次原子粒子，好來驗證這項理論。
不過有關弦論的最重要批評或許就是，它提出多重宇宙的預測。有次愛因斯坦曾說，關鍵問題在於：當上帝著手創造宇宙，那時祂有沒有選擇餘地？宇宙是獨特的嗎？弦論本身是獨特的，然而它或許有為數無窮的解。物理學家把這個稱為地景問題（landscape problem）——我們的宇宙其實有可能只是眾多解之一，而且同等可信的解，如浩瀚汪洋般充沛。倘若我們的宇宙只是眾多可能性當中的一個，那麼哪一個是我們的？我們為什麼住在這處宇宙，而不是另一處裡面？那麼，弦論的預測力在哪裡呢？那是個「萬有理論」（theory of everything）呢，或者是「萬可理論」（theory of anything）呢？
  我承認我和這項搜尋連帶有關。我從一九六八年起就投身從事弦論研究，它就是在那年偶然出現，沒有公開宣布，也完全出人意料之外。我見識了那項理論的驚人演變，從單獨一項公式，發展成為一門學科，而且研究論文可以填滿整座圖書館。如今，弦論構成了全世界領導實驗室所進行大半研究的根本基礎。期盼本書能帶給各位一項平衡的、客觀的分析，兼顧鋪陳弦論的突破性發展和侷限性。本書還會解釋，為什麼這項探尋抓住了世界頂尖科學家的想像力，還有為什麼這項理論醞釀出了那麼強大的熱情和爭議。

第一章  一以貫之——古老的夢想
凝望夜空壯麗景象，天際環繞著燦爛星辰，我們很容易被那種令人屏息、十足雄偉的氣勢給湮沒。我們的關注焦點轉向歷來最神秘的幾道問題。
宇宙有宏觀設計嗎？
我們如何理解看似毫無意義的宇宙？
我們的存在有什麼節律和道理嗎，或者這完全是毫無意義的？
我想起了史蒂芬‧克萊恩（Stephen Crane）寫的詩：

有個人對宇宙說：
「閣下，我存在！」
「不過，」宇宙回答道，
「這件事可沒有讓我產生什麼責任感受。」

  希臘人是最早認真嘗試釐清我們周遭世界混沌亂象的民族之一。亞里士多德等哲學家認為，萬物都可以歸結為四大基本成份（地、氣、火和水）的混合產物。不過，這四種元素是如何醞釀出世界的豐富複雜性？
  就這個問題，希臘人提出了至少兩個答案。第一個答案出現得比亞里士多德更早，由哲學家德謨克利特（Democritus）提出。他認為，萬物都可以歸結為纖小的、看不見的、不可毀壞的粒子，他稱之為原子（atom），希臘文的意思是「不可分割的」。然而批評者指出，原子的直接證據是不可能取得的，因為它們太小了，觀測不到。不過德謨克利特仍能提出令人信服的間接證據。
  舉例來說，想像一枚金戒指。多年下來，那枚戒指開始耗損。失去了一些東西。每天都有一些纖小物質碎片從戒指磨耗脫落。因此，儘管原子是看不見的，它們的存在仍是可以間接測定的。即便到了今天，我們的先進科學，大半仍是間接完成的。我們知道太陽的組成成分、DNA的細部結構，還有宇宙的年齡，全都歸功於這樣的測定結果。我們知道這一切，即便我們從來沒有前往探訪恆星，或者鑽入DNA分子或者目睹見識大霹靂。當我們討論談到試圖證明統一場論的諸般嘗試之時，直接和間接證據的這種區辨，就會變得至關重要
  第二條途徑由偉大數學家畢達哥拉斯開創。畢達哥拉斯發揮獨到眼光，把數學描述應用於音樂等塵世現象，相傳他注意到彈撥里拉琴琴弦發出的聲音，和鎚擊鐵桿共鳴聲響的雷同之處。他發現，兩種聲音都發出以特定比率振動的音樂頻率。因此，美妙悅耳如音樂，其根源仍是出自共鳴的數學。他認為，這或許便表明，我們在身邊所見事物的多樣性，必然也遵守這相同的數學規則。
  所以，起碼我們這個世界的兩大理論出自古希臘：有關萬物都是以看不見的、堅不可摧的原子所組成的觀點，以及自然多樣性能以振動數學來描述。
不幸，隨著古典文明崩潰，這些哲學上的討論和爭辯全都流失了。有關於世上可能有某種範式可以用來解釋宇宙的理念被人遺忘，塵封了將近一千年。黑暗籠罩西方世界，科學研究大半都被迷信、魔法和巫術的信仰所取代。

文藝復興時期的重生
  十七世紀期間，好幾位偉大的科學家挺身挑戰既定秩序，投入探究宇宙本質，然而面對他們的是嚴苛對抗和迫害。約翰尼斯‧克卜勒（Johannes Kepler）是最早應用數學來說明行星運動的人士之一，他是神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世（Emperor Rudolf II）的皇家數學家，也或許他從事科學研究之時，虔誠納入了種種宗教元素，才得倖免未受迫害。
  當過僧侶的焦爾達諾‧布魯諾（Giordano Bruno）就沒有那麼幸運了。一六??年，他以異端邪說罪受審並被判死刑。他遭封口並在羅馬赤裸遊街示眾，最後被綁上火刑台燒死。他的首要罪名？宣揚在環繞其他恆星的行星上可能存有生命。
  偉大的伽利略，實驗科學之父，險些遇上相同的命運。不過伽利略不像布魯諾那麼頑強，他在死亡之苦威脅下撤銷自己的理論。不過他以他的望遠鏡留下了一項持久遺贈，留給我們科學史上最具有革命性和煽惑性的發明。有了望遠鏡，你就可以自己親眼看到，月球密密麻麻滿佈隕石坑；金星有不同的相位，而且和它的繞日軌道對應相符；木星有成群衛星，這一切全都是異端邪說。
  只可惜，他遭軟禁，不得會見訪客，最後還失明。（據說那是由於他有次用望遠鏡直接觀測太陽所致。）伽利略死時窮途潦倒。不過就在他死亡那年，一個嬰兒誕生在英格蘭，而且他會完成伽利略和克卜勒當初未能完成的理論，也帶給我們一項天空的統一理論。