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好讀推薦: 時間簡史
May 12th, 2008 by Mr. Thursday

《時間簡史》是一本有關天文物理的一本科普書籍，是由劍橋大學的史蒂芬‧霍金教授所寫。這本書是著用一般大眾可以了解的詞句和概念，來介紹天文物理學重要的議題，包括愛因斯坦相對論對於時間空間的看法，組成宇宙的基本粒子，宇宙特殊現象，譬如說黑洞和大爆炸等等。書本裡面沒有複雜的數學和物理公式，因為出版商和霍金說，每多一個公式，讀者就會少一半，因此整本書只有一個數學公式，是愛因斯坦有名的質能互換公式 E = mc^2 。

也許我們會覺得，宇宙的起源，時間的理論，大爆炸、黑洞、和夸克基本粒子這些東西，似乎都距離我們太遙遠，即使這是一本科普書籍，對我們生活似乎沒甚麼影響，也和生活沒有很大的相關。那麼我舉個例子來引起閱讀動機好了。我們也許都會認得我們的父母，會懂得在母親節祝福自己的母親母親節快樂。

對於酵母菌來說，他可能沒有所謂父母的概念，也沒有追本溯源的概念。人類除了會記得父母，還會透過家譜，溯源自己的祖先，祖父母，甚至最早的祖先從哪邊來。人類以外的動物，或許會記得自己的父母，但是對祖父母可能就沒有這種概念。除此之外，人類除了父母，祖父母，甚至還想知道自己是哪一個人種，是哪一種原始人化石的後代，最後可能還想知道自己可能是從哪一種動物演化而來。

也因此，我們用同樣的思考方式，也會思考，時間往前不斷推進，是否有一個時間的起點？時間的起點如何產生？如果有時間的起點，有空間的起點，在起點之前是甚麼東西存在？我們的宇宙是否無窮無盡的延伸下去？還是有個邊界？如果有個邊界，那邊界外面是甚麼東西？如果我們願意思考這些問題，就是人類追本溯源精神的一種展現了！

然而要得到這些問題的答案，或許有不同的方法。宗教可能有這些問題的解釋，科學上，則是有物理學的方法，作一些天文物理的研究。如果我們本身並不是專長物理，是個門外漢，沒關係，這本科普書籍《時間簡史》就是一本讓我們快速補充有關宇宙起源科普知識的一本好書！

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演講標題為〈膜的新世界〉(A Brane new World)，講解了霍金想要解決的問題：宇宙的起源。首先他提到時空是彎曲的，可以從廣義相對論和GPS資料或得證實。廣義相對論預言宇宙有個起點，就是所謂的大爆炸 (Big Bang)，並且宇宙會在黑洞的地方形成終點。然而廣義相對論無法解釋宇宙的起點，因為這是量子力學 (Quatum Theory) 才會解釋的地方。

霍金於是想要提出一個大一統理論 (TOE: Theory of Everything)，結合廣義相對論和量子力學，來解釋宇宙起點，物質、時間和空間如何產生出來。他提出一個膜的理論 (brane theory)，認為除了我們所看見的三度空間和時間以外，還有額外維度 (dimension) 的存在。額外維度平常是極度扭曲的，因此我們平常看不到這些額外的維度，就好像一根頭髮在遠處看起來像是一條二維的線條，近距離觀察才會覺得頭髮是三度空間的物體。

額外維度能夠有甚麼樣子的新解釋呢？是在「電力」和「引力」上面有所解釋。狹義相對論提出時間相對的理論，廣義相對論進一步把「引力」(gravity) 解釋成一種場 (field) ，就像是一個平面，如果中間凹陷，一顆球自然會往凹陷的地方滾動，看起來好像凹陷的地方有隻手把球拉過去，像是有一「力」，然而實際上應該是因為整個力場 (field) 是一個中間凹陷的形狀，才會有「引力」的現象。（請學生好好思考上述黑體字的內容。）

額外維度理論認為，我們可以觀察到的三度空間維度，以及時間、質量、能量等物理量，是在一張膜 (brane) 上面，膜以外的地方，就是其他觀察不到的維度 (dimension)。「電力」會在膜上面，「引力」則是會擴散到另外一張膜上面。除此之外，「光」也只能在膜上面運動，因此要觀察我們居住膜以外的其他膜 (brane)，是不可能的，因為光照不到。然而因為「引力」可以擴散到另外一張膜，因此即使沒有「光」的觀察，我們可以經由擴散的「引力」來感受到另外一張膜的存在，而這也就是我們所能觀察的「暗物質」。

然而在目前的實驗觀察下，電力和引力的衰減差異都相同，因此無法支持這個膜理論的假設。一種原因可能是因為膜和膜之間的距離太小，因此我們目前無法觀察出電力和引力之間衰減的極小差異，從而證實暗物質的存在，並進一步證實膜理論 (膜理論就是：引力會擴散到不同的膜，以及時空存在額外的維度dimension，額外維度和引力擴散可以解釋宇宙起點的形成方式，是一個結合廣義相對論和量子力學所形成的新理論)。

因此現在霍金想要觀察的東西，是短的引力波，而短的引力波要在小黑洞才觀察的到。霍金現在就是用粒子加速器，嚐試碰撞出小黑洞，並且要觀察小黑洞損失的質量，也就是小黑洞損失的短引力波，就可以證實剛才提出的膜理論，來解釋宇宙起源的物理現象。

史蒂芬霍金20歲的時候被診斷出得了肌肉萎縮症，然而他還是活下來了，並且用臉頰和眨眼的方式，透過電腦介面來講話和寫字。

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