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霍金的時間

2018/3/16 — 15:43

霍金曾是牛津大學賽艇隊的舵手(圖右)
網絡圖片

霍金曾是牛津大學賽艇隊的舵手(圖右)
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愛因斯坦友人貝索 (Michele Besso) 去世之後,他寫給其家人的信中說到:

現他比我稍早一點離開這奇怪的世界。那沒有任何意義。像我們這些相信物理學的人知道,過去,現在和將來間之區別,只是一種頑固不變的幻覺。
Now he has departed from this strange world a little ahead of me. That means nothing. People like us, who believe in physics, know that the distinction between past, present and future is only a stubbornly persistent illusion.

狹義相對論中,時間和空間是相對的,同時性也是相對的。事件發生的先後,取決於觀察者的速率和移動方向。見圖一:想像 B 以一半光速離開 A ,對於 A 來説, C 、 D 、 E 三個事件是同一時間發生的,但對 B 來說, E 先於 D 而 D 先於 C (見 x’ 軸和 C 、 D 、 E 的關係)。於是所謂過去、現在、將來都不是絕對的,而是相對於觀察者。(詳解見 [1] )

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圖一、相對論中同時性不存在。 ct 、 ct’ 為時間軸, x 、 x’ 為空間軸。黑色是 A 的座標軸,紅色是 B 的座標軸。

圖一、相對論中同時性不存在。 ct 、 ct’ 為時間軸, x 、 x’ 為空間軸。黑色是 A 的座標軸,紅色是 B 的座標軸。

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一、霍金的宇宙

霍金繼承了愛因斯坦等科學家的知識遺產,對時空、宇宙的本質和起源做了最深入的思考。他最為人熟知的,是對黑洞的研究。黑洞不是洞,而是大質量之恒星「燃料」耗盡後塌縮而形成的,密度極高的天體。極度集中的質量嚴重扭曲了時空,附近的物質和光都會被黑洞吸入,物理學家一度以為黑洞是「有入無出」,永久存在的。

霍金以數學計算出黑洞不是永久,而是會因為放出微弱的輻射而散失質量(因質能等價),最後消失的,這種輻射被稱為「霍金輻射」。但他對黑洞研究最大的貢獻,反而是年輕時用數學證明了黑洞中心「奇點 (singularity) 」的存在。奇點是黑洞中心質量無限大的一點,這也是物理學少有認同真實世界「無限」的存在。後來因為哈勃發現宇宙膨脹,霍金回溯時空的過去,發現宇宙會有一個起點,這起點也是一個奇點,被稱為「大爆炸理論」。於是,本來對於黑洞的研究,讓我們對宇宙和自己的來源產生了新的理解。

然而,霍金的宏願不止於此,他要尋找的,是解釋宇宙一切的「萬有理論 (The Theory of Everything) 」。

我的目標很簡單。就是對宇宙的完整理解,它為何如此以及它為何存在。 
My goal is simple. It is a complete understanding of the universe, why it is as it is and why it exists at all. — 《霍金的宇宙 (Stephen Hawking’s Universe) 》

當代物理學的「聖杯」,在於找出統一相對論和量子力學的「大統一理論 (Grand Unified Theory) 」;如找出這個理論,我們現今知道宇宙中的三種基本力:引力、電弱力和強力 (gravitation, electroweak and strong interaction) ,都可以同一來源解釋。另外,相對論和量子力學在不同領域的解釋和預測能力都十分高,但二者之間就不甚相容,在找尋終極真相的科學家來說,這是不能接受的。霍金對企圖結合引力和量子力學的「量子引力 (quantum gravity) 」,進而求得統一理論,然而這未竟之願現在要由後人繼承了。

二、醫生說兩年,他活了五十五年

不如我們所想,傑出的霍金讀本科時,不是成績最好的學生:他說他在牛津大學的三年間,學習只用了約 1,000 個小時,即每天不足一小時;他只達到一級榮譽的最低資格,入劍橋大學做研究。他 21 歲時被診斷「肌萎縮性脊髓側索硬化症 (Amyotrophic lateral sclerosis; ALS) 」,醫生預測他只有兩年壽命,當時他以為自己的生命已經完了。然而病程發展得比預期慢,霍金又可以繼續他的研究。他後來在《衛報》的訪問中說到:

過去 49 年來,我一直活在自己會早逝的預期中。我不害怕死亡,但我不急於死亡。我有很多我想做的事。
I have lived with the prospect of an early death for the last 49 years. I'm not afraid of death, but I'm in no hurry to die. I have so much I want to do first.

不知是否因為死亡的無限逼近,霍金一洗年少時的慵懶,投入心愛的研究,結果造出輝煌的成就。

霍金和第一任妻子珍妮 (Jane Wilde) 在大學同學的派對上相遇。他患上ALS後不久和珍妮結婚,他們拒絕被恐怖的命運擊敗,繼續走下去。 [2] 預期兩年的婚姻,最後變成了 30 年,珍妮付出了青春,成就了霍金的傳奇;霍金後來表示,和珍妮訂婚給了他「活著的原因」。 [3] 霍金和妻子經過數十年後最終離婚,二人之後都和其他人結了婚,但珍妮對霍金一直不離不棄。時光總是讓愛情悄悄溜走,然而感情卻會留下來。

霍金不只對科學鍥而不捨,對知識也是充滿熱情;他的科學觀也啟發了自己和他人對人生的看法。他說:

科學不僅是理性的門徒,同時也是浪漫和熱情的門徒。 
Science is not only a disciple of reason, but, also, one of romance and passion. — PARADE 雜誌

顯然我們只是在千億銀河的邊陲上,圍繞一平凡恆星運行的,一顆非常小的行星上的先進靈長類動物。但是,自文明曙光以來,人們渴望了解世界的潛在秩序。關於宇宙的邊界情況,應該是非常特殊的。還有什麼比沒有邊界更特別呢?人類的努力應該也沒有邊界。我們都是不同的。無論生活如何糟糕,總有些事你是可以做且成功的。哪裡有生活,哪裡就有希望。
"It is clear that we are just an advanced breed of primates, on a minor planet orbiting around a very average star, in the outer suburb of one among a hundred billion galaxies...
But, ever since the dawn of civilization, people have craved for an understanding of the underlying order of the world. There ought to be something very special about the boundary conditions of the universe. And what can be more special than that there is no boundary?
And there should be no boundary to human endeavor. We are all different. However bad life may seem, there is always something you can do, and succeed at. While there is life, there is hope.

結語

霍金死了。死亡對我們來說,是一切的終結,過去的已經完了,不再存在。但是科學告訴我們,將來與過去,無論是宇宙的哪個角落,都如此時此地般真實存在。也許,在數十億光年外,有位正在離開我們的外星朋友,對他來說在牛津大學正有位懶惰的學生,還未知道自己一生的艱辛和使命,還未和一生的知己邂逅,還未對宇宙作深入的探問,他的人生才剛剛開始。

參考:

[1] Relativity of simultaneity – Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Relativity_of_simultaneity

[2] Jane Hawking: ‘There were four of us in our marriage’ | Life and style | The Guardian. https://www.theguardian.com/lifeandstyle/2015/may/16/jane-hawking-there-were-four-of-us-in-marriage-stephen-hawking-theory-of-everything

[3] Ferguson, Kitty (2011). Stephen Hawking: His Life and Work. Transworld. ISBN 978-1-4481-1047-6.

原刊於作者博客

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