(圖說:近來在量子力學中的實驗)

 

如果你與一束光線一起穿梭,光的速度會有多快?
上帝究竟是否在跟宇宙玩擲骰子遊戲?
掉進黑洞會發生什麼事?
宇宙外面有什麼?
大霹靂之前發生了什麼事?
暗物質可能是什麼?
還有好多等等……

 

物理學家的生活,可能是很孤獨的。

想像一下:有一天,你搭上飛機,旁邊的乘客問你是做什麼的。你回答你是物理學家。接下來,你們倆的對話可能有兩種發展走向,但是十次有九次,對方所說的第一句話大概都是:「物理?我唸書時最痛恨那門課了!」

於是,接下來的旅程(或者趴踢、搭電梯、約會),你只好不斷向對方道歉,為物理學帶給對方的心理創傷而道歉。在諸如此類的萍水相逢裡,我們經常看到許多人表現出幾乎是一種得意的態度,而這,似乎是物理學和數學領域才特有的現象,他們儘管嘴巴上說:「喔,我代數很不行!」口氣聽起來卻像是在炫耀,可是,一個人要是說:「我大字幾乎不識一個。」卻不會給人這種印象。這是為什麼?

一直以來,大家對物理學都有個錯誤印象,以為這是門艱澀不實用、枯燥乏味的學科。艱澀?或許吧。不實用?才怪。事實上,在向一般大眾「推銷」物理學時,物理學家往往是從實用的角度出發。譬如,物理學如何為造橋鋪路、發射火箭等提供原理,也就是說,土木工程或化學等學科,最終還是奠基在物理學之上的。

至於枯燥乏味,這我們就真的要提出抗議了。在我們看來,問題的癥結是因為大家太強調物理學的實用面,以致於犧牲了它有趣的一面。甚至,連工程學或電腦科學的工科學生,對物理學的認識往往也僅止於力學和電磁學,並沒有接觸到真正有意思的東西,真是遺憾,畢竟我們知道,在滑輪方面的研究,近年來並沒有什麼突破性的發展。

這份對於物理學的敵意,似乎已根深柢固,以致於大家一聽到「物理」兩個字就開始頻頻打呵欠。導致我們這些物理學家覺得好像學物理就像在逼人一定要吃青菜,必須強調「物理學有多麼重要」,而絕少以「物理學很有趣」來作為討論物理的開場白,結果反倒把物理學有趣的部分全都給扼殺了。

在這個科技日新月異的時代,科學素養應該是基本要求。不過,這不代表你需要多唸四年大學理組才能理解物理,也不需要深入鑽研物理學才能鑑賞量子運算或宇宙學的劃時代演變。重點是,我們要了解這些科學發展為什麼重要,以及它們即將如何改變人類的科技與生活。

物理學並不只是要人們去了解特定理論,它是一門典型的歸納科學,一旦了解科學的發展過程,人們就比較有能力針對全球暖化或智慧設計(intelligent design)「理論」等議題做出合理的決策。我們希望,未來,當有人對你持反對意見時,你可以拿出具體事實來否定對方的看法,而不只是一味地說「不」。

說到數理教育,美國正面臨嚴重的問題;相較於許多已開發國家,美國高中生的數理成績遠遠落後於平均值。當然,這個問題不能單只怪罪到學生、老師,甚至「沒有孩子落後」(No Child Left Behind)等計畫上頭。

但這是個影響深遠的問題,而且影響範圍涉及各個層面,似乎問題尤其在學生身上特別明顯,不過這是必然的,因為我們不會找個五十歲的中年人來問這種乍看的科學問題:「如果你有十隻雞,吃掉五隻,請問你體內的膽固醇會增加多少?」如今再看看這些所謂的應用題,不禁覺得應用數學這門學問的前提實在荒繆笑。相信許多人在小的時候都曾經納悶過:「代數這東西我什麼時候才用得著?」於是他們假設,學習代數只有一個用處,就是拿到好成績。

數學家約翰‧亞倫‧包洛斯(John Allen Paulos),曾經在一系列精彩著作中探討「數盲」(innumeracy)現象,也寫過一系列生動文章,是一般學生們所不常接觸的主題,想要幫助讀者培養關於數字的批判思考能力,並設法證明(我們認為這方面的努力很成功)除了具備如何計算帳單以及支票簿收支平衡等實用價值,其實數學本身更為有趣精彩。

物理學也一樣,具有實用性與突破性的兩種截然不同面向,關於這一點,相信大家都有經驗。雖然以力學為主題的艱澀物理課程,會讓人們對物理學敬而遠之,但科幻小說或是報對某物理重大發現的報導,以及哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)所拍攝到的最新照片,卻會吸引人們重新對物理學感到興趣。

然而,在在這類報導中,卻往往不會出現斜面科技(inclined plane technology)的最新突破。

至於會使一般大眾感到興奮的物理學主題,則往往跟宇宙、大型強子對撞機(Large Hadron Collider)等大型實驗,或外星生物有關。前面說過,十次有九次,我們要是在機場或雞尾酒派對上討論物理,最後往往要不到電話號碼,只能一個人孤伶伶地坐計程車回家。但好事偶爾還是會發生,有時候,如果走運,我們甚至會有真正的對話而不是對質,譬如旁邊坐著的人,可能高中時遇到了不錯的物理老師,或有叔叔在美國太空總署工作,又或者本人就是工程師,認為我們的工作不過有點「古怪」而已。

如果碰到的是這些人,我們的對話內容往往會變得非常不同。每隔一陣子,我們就會碰到一些人,他們對宇宙如何運作,已經存疑了一段時間,只是不曉得該在維基百科(Wikipedia)上輸入什麼關鍵字來搜尋。美國公共電視的科學新知《NOVA》特別節目,或許只暗示了某個主題,但他們會想要知道更多。近來一些較熱門的話題包括:

    聽說,大型強子對撞機會創造出一些迷你黑洞,足以毀滅宇宙,這是真的嗎?(如果有人需要的話,這個問題證明了物理學者其實是瘋狂科學家,最愛做的事就是毀滅地球。)

    時光旅行有可能辦到嗎?

    除了這個宇宙,還有其他平行宇宙存在嗎?

    假如宇宙正在擴張,那它會擴張成什麼?

    如果一邊以光速前進,一邊照鏡子,會發生什麼事?

我們自己一開始也是因為這類問題而對物理學產生興趣的。甚至上述最後一個問題,還是愛因斯坦本人所提出的,而這也是他發展狹義相對論(special relativity)的主要動機之一。換句話說,儘管少之又少,但當我們跟別人談起我們的工作時,偶而也會發現有些人對物理學著迷的原因跟我們一模一樣。

想要讓物理學變得更可親,最顯而易見的作法是,透過現有的數理教材來教導學生。為了達成這個目的,許多教科書作者都在封面上放上幾張火山、火車頭或閃電的照片(註),相信如此一來就可以使學生在看到書時興奮地大喊:「好酷喔!原來物理學這麼活潑生動!」但經驗告訴我們,學生並不會輕易受騙上當。如果他們真的感興趣,就會打開書尋找「如何自己製造閃電」的章節,不過即使如此,他們也會因為找不到而大失所望。(註:有一本幽默的力學教科書,由於封面用的是保齡球的撞擊畫面,因此誤導人們以為這是一本保齡球教科書。)

所以,我們在這裡希望傳達給各位的是,我們在此書中不會這麼做,你將看不到任何酷炫的圖片,也沒有任何可能增加印刷成本的東西。(不過至少作者之一指出,書裡有的插圖都是充滿睿智的豐富學識。)相反的,本書的編排僅僅基於一個單純的理念:物理學本身就是有趣的。真的!要是各位需要更進一步的說服,我們在此鄭重宣布,(p.6)本書每一章都至少都會有五個冷笑話(包括無病呻吟、雙關語和俏皮的漫畫),帶給你適合全家老少的幽默,在此茲舉一例:

問:光子(photon)在球場裡做什麼?

答:製造光波!

一如這個例子所示,本書的每一章都有一幅漫畫開場,帶著一則看起來不怎麼好笑的雙關語和一個關於宇宙如何運作的問題,然後我們會引導各位踏上一段物理學之旅,去解答這個開場的問題,到了章末,我們希望你的謎團會慢慢解開,於是等各位再回去翻回章頭時,就會領略到有麼好笑。不過,我們的方式可能會很迂迴扭曲,一如各位對科學家的期待。

這不是說,各位必須深諳物理學才能了解我們的笑點,恰恰相反。我們所希望的讀者,既不是那些已經體認到物理原則有多麼偉大,也不是那些寧願吞湯匙噎死、也不願意死在量角器百尺之內,而是介於這兩個極端的中立人士。

本書沒有方程式,許多科普作家是用譬喻來解釋問題,但這麼做讀者在閱讀時不見得明白,他當下所讀到的文字究竟是分析描述還是文學譬喻。本書沒有數學,所以很清楚的,物理學的一些要素就會消失不見。儘管如此,我們在本書想傳達的是,即使不知道相關方程式是什麼,各位對於物理問題也應該要如何思考。換句話說,只要各位明白我們想傳達的重點,剩下來的數學不過就只是運算而已。

聽我們這麼說,各位或許會想問:你們兩位呆頭學者究竟對於讀著們有什麼期待?老實說,我們沒有任何預設立場。書中提出的每一樣證據,都是奠基於基本原理,我們無意用繁複的數學運算或方程式來恐嚇大家。這樣好了,在此我們乾脆把這本書中唯一的方程式寫出來:

 

E = mc2

 

是的,就是它。各位沒有被嚇壞吧?

 

 

宇宙使用手冊──如何避免黑洞、時間悖論和量子不確定性所帶來的危險

A User's Guide to the Universe: Surviving the Perils of Black Holes, Time Paradoxes, and Quantum Uncertainty

作者簡介
戴維‧郭德堡(Dave Goldberg)
普林斯頓大學天文物理學博士。現任卓克索大學(Drexel University)物理學副教授,專長為理論與觀測宇宙學。對科學與流行文化的介面極感興趣。曾發表文章於《現狀》(State)期刊,也曾經上紐約公共廣播電台(WNYC)的節目《360度工作室》(Studio 360)中受訪。現與妻女定居於費城。

 

傑夫‧布朗奇斯(Jeff Blomquist)
二〇〇八年自卓克索大學畢業,獲物理學碩士學位。現任波音航太公司(Boeing Aerospace)工程師。本書插圖都是他自己獨力繪製而成。現居費城。一直到最近才不再以沙發為床。

 

   

「這本書真叫人愛不釋卷!作者在解釋物理學和宇宙學各種有趣的主題時,不但幽默風趣,內容也應有盡有,包括夸克、類星體、電子、外星人等等。不管你想要建造時光機或傳送器,或是想知道為什麼好奇心會殺死薛丁格的貓,都可以在這本書裡頭找到答案,書中作者不但解釋得清清楚楚,還附有令人印象深刻的插圖。如果你想知道近年來物理學和天文學令人振奮人心的新發現,我大力推薦這本書。」
──理查‧哥特(J. Richard Gott ),普林斯頓大學天文物理學教授,著有《愛因斯坦宇宙中的時光旅行》一書。

「要是當初我的物理老師就是郭德堡和布朗奇斯,那該有多好!奇異物質不斷長大,直到勒緊世界為止!根據說明書可以建造一部厲害的瞬間移動設備,然後還可以改造成一部超級厲害的時光機!想想看,沒個人不存在的機率有多少?一個人同時出現在兩個地方的機率又是多少?我一定要跟我的學生們(都是跑科學新聞的記者)還有任何要想認識宇宙以得到更多樂趣的讀者們,推薦這本書。」
──強納森‧溫納(Jonathan Weiner),哥倫比亞大學新聞研究所教授,以《雀喙之謎》(The Beak of the Finch)一書榮獲普立茲獎。

我們說話不愛拐彎抹角。如果你打算建造一部能超越光速的曲速引擎,或想將一部迪羅里昂車(Delorean)改裝成時光機,勸你還是打消念頭吧。但如果你只是想知道這些事到底可不可能辦到,也喜歡擬人化的基本粒子,你一定要讀讀這本書。
從相對論到大型強子對撞機等現代物理學上的重大發現,各位都可以從這本平易近人、爆笑風趣的書中得到認識,而且在閱讀過程中保證你不會皺眉頭。你只要舒舒服服坐下來,就可以輕鬆享受一趟現代物理學探索之旅。以後在宴會上,你還可以憑著你對詭異的量子世界、相對論的時空概念、擴張的宇宙等主題的了解,在別人面前炫耀一下呢。
更何況,說不定你還可以學到些什麼呢?誰知道?

 

 

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