h2聽斯蒂芬·霍金聊黑洞、統一場論與瑪麗蓮·夢露/h2stephenhawkingonblackholes
unifiedfieldtheory,andmarilynmonroe
［美］格里高利·本福德gregorybenford著
劉博洋許卓然譯
格里高利·本福德，科幻作家、物理學家、天文學家，加州大學河濱分校物理學教授，當代科學家中能夠將科幻小說寫得很好的作者之一，也是當今時代最優秀的硬科幻作家之一。獨特的風格使他多次獲獎：星雲獎、約翰·坎貝爾紀念獎和澳大利亞狄特瑪獎等。他發表過上百篇物理學領域的學術論文，是伍德羅·威爾遜研究員和劍橋大學訪問學者，曾擔任美國能源部、nasa和白宮委員會太空專案的顧問。
1989年，他為日本電視節目《太空奧德賽》撰寫劇本，這是一部從銀河系演化的角度講述當代物理學和天文學的八集劇集；之後，他還擔任過日本廣播協會和《星際迷航：下一代》的科學顧問。
跟往常一樣，斯蒂芬·霍金看起來氣色又稍微差了些。他罹患漸凍症二十多年，仍然緊緊扼住命運的喉嚨，這已經是個奇蹟了。每次見到他，我都認為這將是最後一次見面，畢竟這條細細的生命線不可能一直維繫下去。
2005年，霍金已經六十三歲了。在他輝煌的科學生涯裡，他解決了大量黑洞物理的基礎命題，其中就包括那項最令人震驚的預測：黑洞不完全是黑的。相反，如果有一個跟一座山差不多質量的黑洞，它就會輻射出各種粒子，而小一點的黑洞則會在輻射中逐漸消失。這是天文學家試圖尋找但尚無所獲的一種現象。
霍金於1988年出版的《時間簡史》取得了巨大成功，令他一舉成為略有點奇怪的文化偶像。他也想知道，那麼多在脫口秀中提起這本書的小明星和搖滾歌手，究竟有幾個真正讀過這本書。
他決定在另一本著作《果殼中的宇宙》裡提升作品的可讀性。他在書中穿插了海量的生動插圖，以幫助讀者理解諸如超弦理論和時間本質之類的複雜概念。其中的訣竅就是把公式翻譯成普通人能看懂的語言，不過這絕非易事，幸虧插圖發揮了巨大作用—儘管那些正統學究強烈譴責，認為這些插圖有過度簡化之嫌，但在我看來，只要這些方法可以幫讀者躍過艱深難懂的學術深淵，那就是好方法。
我走進霍金位於劍橋大學的辦公室時，他的工作人員對我很警惕，甚至懷疑我是個自創了一套宇宙理論的民科。幸好我提前打過電話，他的秘書也因為在過去這些年裡見過我很多次，所以很快認出我來了（我是一名天體物理學家，早在20世紀70年代就認識霍金了。）這間辦公室還是跟從前一樣，霍金佝僂的身軀蜷縮在電動輪椅上，他正向外張望，厚厚的眼鏡片讓他的眼神顯得有些呆滯。但他只要開口說話，就能讓人感到一股如洪鐘大呂般鼓舞人心的強大力量。
在很多年前，霍金因為一場緊急的氣管切開術失去了聲帶。他那扭曲孱弱的雙手連一支筆都握不住了。術後那段時間，他跟這個世界是完全割裂的，彷彿跌入了他一心研究的黑洞，他的所思所想，想對外界表達的一切都像被黑洞吞噬的訊號那樣，因引力而紅移、減速，在死寂中等待被遺忘。
所幸矽谷的一家公司從天而降。工程師們為霍金量身定製了一款便於操作的軟體和一副特殊的鍵盤。現在，他那枯槁的雙手可以在鍵盤上靈活地移動了。軟體便捷靈敏，能讓他很迅速地拼出句子。我看著他在懸掛於輪椅前方的液晶顯示屏上飛快地移動游標，選擇著常用詞。矽谷的那幫哥們兒現在已經開始量產這一偉大的發明，服務於全世界正在承受類似病患的人們。
「請不要介意我的美式口音。」安裝在輪椅後面的揚聲器帶著加州腔調說。他只敲了兩下鍵盤就完成了這一整句話。
雖然之前也曾來過他這裡，但是看著眼前的場景，我還是被深深觸動了：一個飽受身體衰竭和病痛折磨的男人，竟然在牆上貼了好幾張巨幅海報，上面都是同一個跟他有著天壤之別的形象—瑪麗蓮·夢露。我問起她，霍金立即用一隻手在鍵盤上敲出語音：「是啊，她棒極了，像宇宙一樣棒。我有想過在新書裡放一張她的照片，就作為一種天體的插圖。」我則評論道，對我來說，這書就像是法國印象派畫家在描摹一頭奶牛的光影瞬間，他們絕不會想要呈現一頭真真切切、臭烘烘的牲畜的。驚鴻一瞥抵得過萬語千言。接著，霍金換了話題，開始聊起目前物理界關於宇宙起源，也就是大爆炸之後那個瞬間的熱門話題。
霍金的彬彬有禮讓我很不安。我很清楚他平時有多忙，而我，只是路過順便來聊聊的。
「有那麼些年，我跟羅傑·彭羅斯的早期工作對科學似乎是場災難。」霍金說。
「我們證明了，如果愛因斯坦的廣義相對論是正確的話，那麼宇宙必然發端於奇點。而這就意味著，科學無法準確描述宇宙是如何起源的，因為物理法則會在密度無窮大的奇點處失效。」的確，數學無法處理這些趨向於無窮大的物理量。實際上，二十世紀的物理學有不少工作是在試圖規避無窮，因為那會給粒子物理和宇宙學帶來無法處理的麻煩。點粒子的設定倒是能夠暫時解圍，但終究會帶來大麻煩。
我記得，自己曾在國王學院的一次晚會上問過霍金這個問題的數學解決方案。他說，這跟基礎量子力學裡的一些方法有點類似，他正在努力把這些方法運用到目前這個超現實的領域。
「現在看來，利用虛時間的概念，我們確實可以確定宇宙是如何起源的了。」霍金說。我們就此進行了一番探討。霍金運用了一個數學技巧，把方程中的時間替換成了虛時間，這就改變了方程式的本質，從而讓他能夠從微觀的量子世界借用一些概念。新的方程式有一種隧穿效應，讓宇宙在大爆炸之前，可以有多種不同的途徑來穿越奇點。有了虛時間的概念，我們就可以計算出，宇宙經過某個特定隧穿路徑進入到我們所謂時間發端之後的早期宇宙的機率。
「當然，你是可以這麼解釋這些方程，」我爭論道，「但這只是一種數學技巧啊，不是嗎？」
霍金說：「沒錯，但大概是一個精緻的技巧。」
「但我們並沒有真正地深入理解時間，」我回答，「把即時間換成虛時間並沒多大意義。」
「虛時間是一個新的維度，與即時間垂直，」霍金解釋說，「沿著這條軸線，如果宇宙滿足‘無界’條件，我們就能展開計算了。這個‘無界’的意思是宇宙在虛時間方向上沒有奇點或者邊界。在‘無界’條件下，虛時間沒有起點或終點，就像地球表面的路徑沒有起點或終點一樣。」
「如果這條路徑能圍著地球繞一圈的話。」我補充道，「但是當然了，我們並不能確知虛時間沒有邊界。」
「我的直覺告訴我，在那個特別的座標軸上是沒有什麼邊界的，所以我們可以展開計算。」
「這只是你的感覺罷了，而這正是問題所在，不是嗎？虛時間只是一個數學上便利的概念而已。」我有點惱火，聳聳肩。冷酷完美的數學世界和真實的物理世界之間總是隔著巨大的鴻溝。在物理研究方面，這種衝突太常見了。「虛時間跟我們所感知到的時間—逝者如斯，生老病死—毫無關係。」
「沒錯。我們的思想是在即時間中執行的，時間隨著大爆炸開始，也將會隨著大坍縮終結，雖然根據目前觀測到的加速膨脹資料，大坍縮不太可能會出現，但意識總歸會在奇點處終結。」
「這可算不上什麼安慰。」我說。他笑了笑，「是不算，但是我喜歡‘無界’條件。它似乎意味著宇宙在即時間的一端處於高度有序狀態，而在另一端則處於無序狀態，且這種無序會沿著時間軸的另一個方向增加—我們將其定義為時間向前的方向。當我們在腦中記住什麼事情的時候，宇宙的無序度便又增加了一點。這就解釋了為什麼我們只能記住我們稱之為‘過去’發生的事情，而不能記住未來的事情。」
「那你還記得自己在1980年關於終極理論的預言嗎？」我反問他。
「當時我說，我們可能會在二十世紀末形成完整的大統一理論。」霍金的語音合成器發出一陣乾笑,「好吧，我承認自己錯了。在那時，大統一理論的最佳候選人似乎是n=8超引力理論。但現在看來，這個理論可能近似於一種更加基本的超弦理論。我之前過分樂觀了，以為我們能在二十世紀末解決這個問題。不過直到現在，我仍然相信在接下來二十年裡我們有一半勝算能得到完整的大統一理論。」
「我經常懷疑，當我們看向更小的尺度時，物質結構永遠不會有終點—相應的物理學理論也是。」我提起這樣的觀點。
「也有可能世界上根本就沒有終極物理理論，我們只是在不斷地發現新的物質結構層級罷了。不過，似乎我們研究得越微觀，物理學理論就變得越簡單、越統一。而普朗克尺度是一個終極尺度，小於這個尺度，時空將無法被定義。所以我想，物質結構的層級還會是有極限的，只要我們足夠聰明，總會找到一個大統一理論。」
「那你覺得我們足夠聰明嗎？」我問。
他又笑了，「這你得從別處找找信心了。」
「我有點跟不上目前超弦領域的研究節奏。」數學物理學就像音樂，只有年輕熱烈的靈魂方能理解和駕馭，好比神童莫札特那種人。
「我也只是在努力跟上。」他謙虛地說。我們又開始討論最近的一些研究，關於「嬰兒宇宙」，也就是時空泡沫。對於人類這種宏觀生物而言，時空就像在遠洋郵輪上一眼望見的大海，風平浪靜，靜謐浩渺。可一旦你湊近看，則是波浪洶湧，氣泡翻騰。在極小的尺度上，時空中虛虛實實的漲落可以隨機產生—憑空出現，又無聲消散。
粒子物理中還有一些鮮為人知的結論稱，在某些罕見但無法避免的情況下，這些泡沫可以發展為一個成熟的宇宙。
在大爆炸之後的那個瞬間，這樣的情況可能在一瞬間發生過很多次。實際上，我們這個宇宙的某些性質，可能正是由那個極短瞬間中噴薄而出的時空泡沫所決定的。而研究這種可能性，則要用到「蟲洞微積分」理論，也就是從無窮多可能出現的泡沫（以及連線它們的蟲洞）當中進行取樣分析。
霍金和一些科學家在數學上把這些泡沫做了個平均，把它的物理性質校正了一下，想要判斷出，像我們所處的這樣一個相當溫和且平靜的宇宙，是否是早期湍動發展的必然結果。這件宇宙公案沒有陪審團，而且可能永遠沒有—這些計算太複雜了，而且更多是基於直覺，並非事實。而要斷定他們是否給出了任何有意義的預言，就見仁見智了。這不禁讓人想起王爾德的名言：「對於重大事宜，形式總是比內容重要。」
退一萬步講，就算關於宇宙最初那一瞬的假設是正確的，宇宙的樣子很大程度上還要取決於那些時空泡沫的能量。把這些泡沫吹起來的能量將會受到一種負能量的制衡，這來自泡沫裡面的物質之間的引力。如果向外的壓力剛好和向內的引力（其實也是一種壓力）相平衡，你就會得到一個蠻像我們宇宙的宇宙：比較溫和、沒有極端的時空曲率—天文學家稱之為「平坦」。我們的宇宙，至少從太陽系這麼微小的尺度來說，還真是挺平坦的，對於銀河系這麼大的尺度也仍然如此。實際上，一直到遙遠宇宙中我們可以觀測到的極限，宇宙都仍然保持著平坦。
這些泡沫直到現在都在不斷形成，也就是說，你的客廳裡隨時有可能冒出一整個完全獨立的時空。它起初會無窮小，然後膨脹成一個西瓜大，但是你的雙眼看不見—出於一些基本的物理原因，你肯定是啥也看不見的。
「它們當然不會在空間裡出現，」霍金說，「去追究它們會在空間裡哪個位置出現是沒有意義的。」它們並不佔據我們這個宇宙的空間，而是會形成它們自己的宇宙，再往那些此前並不存在的空間膨脹擴張開去。
「它們在我們這個宇宙中產生之後，就跟我們的宇宙斷了聯絡，」我問霍金，「沒有遺骸，也沒有痕跡？」
「我不認為會有。」
「就像一個從不給家裡寫信的不肖子。」當聊到極為宏大之處，我喜歡拿尋常之物做比。
「它並非在我們的空間形成，而是本身就是另一個時空。」
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