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也說霍金

2018/4/3 — 11:18

霍金三月中辭世,不少人在報章、傳媒、網上都說過了。現在才說,實在後知後覺。總不能避免「抽水」一番,然而希望說一些相信他人未說過的東西。

(一) 就像其他偉大科學家一樣,霍金令人欽佩的地方,是能夠將艱深的議題,用顯淺的語言、用簡潔的形式或圖像表達出來。說到大科學家的優美 (elegance),莫過於愛恩斯坦的 E = mc、牛頓地心引力與距離二次方成反比的關係、以及伽利略有關物體下墜的思想實驗 [1] 。而霍金的例子,我想應該是 1972 年他證明了黑洞視界 [2] 的表面積不滅不减少的理論,從而推論出一條簡單的公式 S = kA [3] 。除了不少具分量的學術論文外,霍金也寫過數本科普書籍,包括《時間簡史》、《胡桃裡的宇宙》等。過程中,他曾提及出版商的「威脅」,說每寫上一條公式,銷售定會減半!結果是這些書內裡完全沒有公式(對不起,本文至此已兩次出現公式!)。他能夠行文深入淺出,加上獨特的圖像,與他的立論突出,思想縝密不無關係。

(二)    霍金的運動神經元疾,令他廿歲時開始全身逐漸癱瘓。他與人的溝通方法,尤其 1985 年因手術後完全失聲後,自始至終都是利用肌肉控制字詞的選擇,初時用眼眉,及後用手按一個電子開關,以及最終用面頰(2005 年後)。至於字詞的選擇,最初是用有限的認字咭,及後發展到上三千個單字及短詞,最後還加上匯聚了大量論文及科學讀物詞彙的軟件,能夠基於上文,推測下文的可能字詞,進一步減低溝通的困難。上述兩方面,所需的技術當時市面上並未出現。霍金能夠透過機器發聲,得到的協助主要來自美國一電腦軟件商的餽贈(他常自嘲其美國口音),以及一位家庭看護的工程師丈夫的投入。可見,過去五十年,霍金背後除了得到家人及大學的支持外,還有其他個人及社會不多不少的援手,才能夠繼續及完成其大量的科研及科普的工作。

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(三)    人們不禁要問,為何蕞爾小國如英國,人口僅是中國人口的四、五個百分點,能夠出產較多百年一遇或兩百年一遇的奇才(如牛頓、達爾文、霍金)?西歐總人口也只是五億,但亦擁有如哥白尼、開普勒、伽利略、愛恩斯坦等多不勝數的科學界巨人。按比例,中國應該出現至少二十個霍金級數的「巨星」,但為何還未出現?這問題眾說紛紜,沒有完美的答案。巨星的出現,據最新的研究,有「先天」與「後天」因素。先天因素,如個人的智商,撤去一些人為因素(如補習催谷),全球分布差別不大。所以,現在只談後天因素。以下的討論因個人的局限,亦因篇幅有限,未必中肯全面。

第一,許多人都會想到,就是 STEM (科學、技術、工程、數學;其實應該是 STEAM ,因生活怎可能沒有藝術、人文、美學?)所能發揮的作用。其實科技在中國早已有之,但發韌於培根 (Francis Bacon, 英國人, 1561-1626) 的科學革命,強調驗證,已成果纍纍,至今已四百年。影響所及,美國亦有二百多年。期間,無論是因為經濟、軍事、或單出自好奇心等因素,都推動了科學的發展。相比下,日本自明治維新,至今剛好一百五十年,而中國現代化的歷史更要短一些。而現代科學發展所需要的土壤和氛圍,是須要累積的。

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第二,有說,近世代的全球化不是可將所須的時間及資源縮短減少?没錯,全球化對知識的轉移有一定的作用。至於如霍金等進行的基礎研究,則是另外一回事。基礎研究,基本需要的是個人的好奇心,以及就近一小群人的興趣,相互切磋砥礪,如英國的劍牛,歐洲的 CERN ,美國的麻省、加州等科學重鎮(也有單打獨鬥而成功的例子,但這往往會是事倍功半,現今更是罕見)。當然,互聯網、電話視像及學術會議和交流會將距離縮短,但仍不可以替代近在咫尺同儕的功能。所以,有需要建立如上述的科學鎮,並持之以恆。

第三,社會要開放,要重視知識產權。伽利略時代社會較為封閉,教廷視他的日心學說為悖論,將他審問及批判。伽利略逼得撤回有關言論,才倖免入獄。但到了 17 世紀啟蒙時期,牛頓活在相對較開放的英國,已能著書立說。隨著社會普遍尊重知識分子,大學的數目及規模不斷增加擴大,知識產權越來越受重視,科技得以突飛猛進。十八、十九世紀仍充斥著科學屬於優生一群,而社會民主化只會阻礙學術前進的說法。隨著愛恩斯坦等新一輩科學家的湧現,這說法已不攻自破。

第四,也有人說,當今科學發展的趨勢不是走大計劃、大數據、大群組嗎?常見的例子是近年重粒子的發現,有關的群組及其論文背後的科學家人數驚人,成千成百。然而,這並不表示個人的因素或角色減弱。首先,全球最矚目的諾貝爾獎(以及其他著名的科學獎),頒授仍然以個人為基礎。其次,美國沒有歐洲如 CERN 那麼大的科研群組,但過去一二十年也不乏於基本粒子研究方面取得成果,亦不乏這方面的諾貝爾獎。再者,許多大發現的由來,都是在事主苦學之後,突然而來的靈光一閃(最出名是阿基米得在浴中發現有關浮力、以其為名的定理)。這些個人的突破,是日積月累思想沉澱的結果,是個人與群組的有機結合,人工智能仍難項其背。

實情是,沒有更多霍金級數的科學家出現,原因之一是近十多廿年來,不知為何原因,不少先進地方的學子(或其家長)傾向升讀較實用的學科,而不選一些基礎學科如數理化生文史等科,以祈畢業後找工作易一些。結果是流失許多的優秀人才。其實,由於社會富裕,一般學子大可先選修自覺有興趣的基礎學科,然後再找志向科目深造。當然,這牽涉更多的學費和時間。他們應該視之為長線投資,就如龜兔賽跑,因為搞好基礎知識和概念,對自己的強項弱項了解加深,將來就業彈性自然加強,結果往往是後發先至。到時,除大學學術研究所爭相羅致之外,不少投資機構、尖端科研公司、網絡服務中心,甚至政府部門,都要找這樣的人才來發展其業務。

2-4-2018
〔作者保留版權〕
參考:維基百科。

註:

  1. 古希臘哲學家對物體下墜的想法是,大的石頭下墜會比小的石頭快。伽利略的思想實驗(即是憑空用邏輯猜想)是這樣的:想像大小石頭各一,用一條幼線連繫起來,然後在高空放手,讓它們下墜。假如古希臘哲學家是對的,大小石頭會以不同速度下降,大的會將小的拖快,小的則會將大的減慢,會以不大不小的速度下降。此刻,如果〔想像〕讓線的長度縮減至零,那麼兩塊石頭成為一件更重的物體,依照先賢的想法,理應以比先前兩者更高的速度下降。同一條問題,得出兩個截然不同的答案,當然是荒謬不合理。故此伽利略的結論是所有物體均以相同速度下墜。二千年的問題,他足不出戶,不動手脚便解决了。(傳說中伽利略在比薩斜塔進行的實驗,據後世的研究,根本沒有發生!)
  2. 事件視界 (event horizon) ,在黑洞周圍的分隔界線,視界中任何的事件皆無法對視界外的觀察者產生影響。在非常巨大的重力影響下,黑洞附近的逃逸速度大於光速,使得任何光線皆不可能從事件視界內部逃脫。根據廣義相對論,在遠離視界的外部觀察者眼中,任何從視界外部接近視界的物件,將須要用無限長的時間到達視界面;但該物件本身卻不會感到任何異常,並會在有限時間之內穿過視界。
  3. 1972 年霍金證明的黑洞視界表面積不滅不减少理論,即兩個黑洞合併後的黑洞面積不會小於原本兩個黑洞面積之和。就此,當時普林斯頓大学的一名以色列年輕學生貝肯斯坦 Jacob Bekenstein (1947-2015) 提出了黑洞熵(參看 5-5-2015 網誌對熵的簡單介紹)的概念,復猜想黑洞面積與它的熵成正比。1974年霍金推論出黑洞會發出輻射(名為霍金輻射),並利用能量、溫度和熵在熱力學上的關係,得出了一條現在稱為 BH 的公式:S = kA (S 為熵, A 為黑洞視界面積; k 是由霍金算出的定值,此處不贄)。 BH 即 black hole ,同時也代表 Bekenstein-Hawking 。

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