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文/雷納.曼羅迪諾;譯/蔡坤憲

無論你最終會成為誰,也無論你知道多少,當你剛剛進入物理所當研究生的時候,你就是從最底層開始。你在大學部所上過的課,即使是包括在研究所裡所上的課,雖然它們都很重要,但是它們只是背景知識而已。它們對你而言,就是讓你當一個學習過建築物的建築工人,而你,還沒有蓋過任何東西。要拿一個理論物理的博士學位,你要建構出自己的理論架構,或是在既有的基礎上添加一個新架構,又或者是找到需要修改的地方,把它修好。只有在你真正做過一次這樣的工作,或十次這樣的工作,你才足以稱得上是一位理論物理學家,也才知道當個理論物理學家是什麼意思。

在大多數的博士學程裡,一般是在入學一年左右,你得在系所裡「說服」某位教授,讓他願意成為你的指導教授——在你第一次建構理論架構時,充當你的導師與監督人。在劍橋大學,他們的程序稍稍有點不同。在霍金申請入學的時候,就必須提出與某位教授合作的申請。他本來希望能成為霍伊爾(Fred Hoyle)的學生,因為他是當時英國最負盛名的天文學家。雖然劍橋接受了他的申請,但卻告訴他霍伊爾已經有太多學生,而把他指派給另一位理論物理學家夏瑪(Dennis Sciama)。[6]那時,霍金完全沒聽過夏瑪的名字。

在研究所裡,選對指導教授很重要,這不只是因為你要找位合拍的導師,而是萬一你們的研究興趣不合,那麼你的前途將會充滿艱辛。最基本的選擇是你想做理論,還是做實驗。絕大多數的物理學家,都選擇成為實驗物理學家。這個選擇是必然的,因為建造一個儀器來測試某個理論需要很多位科學家,而提出理論只需要少數人,因此做實驗的科學家需求較大。通常,當你到了研究所的階段,你會知道你心中所屬的陣營是哪一個。不過,這只是剛剛開始而已。

物理是一門浩瀚的科學,由多種專業與分科等大大小小領域所組成。有些專注於發現自然的基本定律。其他則專注於把這些自然律應用到某個特殊的現象或系統上。例如,光學專注於把電磁學的基本定律應用在光的行為,以及探討光與物質之間的交互作用。核子物理專注於了解原子內部,質子與中子之間的交互作用。量子資訊科學在於應用量子物理的基本定律,目標在於創造出超強威力的量子電腦。

相反地,對於基本自然定律的研究僅基於兩個主要支柱。首先是廣義相對論,這是一個只專注於探討重力,以及物質在重力的影響下如何運動的理論。然而,在重力之外,大自然裡還有電磁力、強力與弱力等三種基本作用力。廣義相對論完全沒有關於它們的討論。這三個基本作用力以及它們的種種效應,則由所謂的基本模型所描述;這是基本自然律的第二個支柱。

基本模型是一個量子理論;量子理論是基於普朗克(Max Planck)於一九○○年所提出的量子假設發展而成。量子假設是指某些物理量(例如能量)只能以不連續的數值出現。在牛頓的理論中,能量是個連續的物理量,就像水一樣;然而在普朗克的理論裡,能量是由許多微小的單位所組成,就像麵粉是由許多細小的顆粒所組成那樣。在量子理論中,粒子、場以及宇宙的所有性質全都變得「模糊」以及機率化。凡是不具有這些特性的理論都稱為古典理論,即使是廣義相對論也一樣,雖然它們已經非常不同於由牛頓所發明的原始古典理論。

不過,標準模型並不只是另一個量子理論。它是某個特殊形式的量子理論,稱為量子場論。因為它是透過「場」的觀念來描述作用力,類似科幻小說或電影裡的力場觀念——只有場可以穿越空間與時間。

因為廣義相對論是一個古典理論,因此它與諸如標準模型之類的量子理論並不相容。對於不熟悉近代物理發展的人而言,可能會覺得很弔詭:我們有一個古典的重力理論,以及一個關於其他作用力的量子理論,然而我們又在不同的領域各自應用這兩個理論,就像管理著精神分裂一樣。雖然,這距離完美還非常遙遠,當代很多的物理學家正竭盡所能地希望發現一個量子版本的廣義相對論,一個稱為量子重力的理論。終極目標是建造出單一的量子理論,可以包含量子重力與標準模型。那個尚未發現的理論將能描述所有的四個基本作用力,這就是愛因斯坦把它稱為統一場論,以及物理學家現在把它稱為萬有理論的原因。

在霍金開始讀研究所的時候,幾乎沒有物理學家願意去發展重力的量子理論或萬有理論。理由之一是,如同我剛剛所說的,廣義相對論與量子理論彼此以一種和平的狀態而共存著。它們描述著不同的作用力,也描述著在不同尺度下的大自然。就像在生物學裡,研究哺乳類與研究細菌是兩件不同的事情,在物理學裡,關於廣義相對論與量子理論的研究也是同樣的道理。

然而,霍金與大多數的物理學家不同。在物理學豐富而浩瀚的眾多觀念中,讓剛進入研究所就讀以及在人生態度剛有了重大轉變的霍金感到興趣的是廣義相對論,特別是在宇宙學這個子領域裡。宇宙學是希望藉著廣義相對論來理解宇宙的起源與發展歷程。霍金之所以會投身宇宙學的研究,因為這是唯一可以回答關於存在這個問題的領域,而這正是他當時最為關心的事。對霍金而言,那些研究基本粒子理論的人,也就是希望最終可以建構出標準模型的人,似乎對於宇宙學裡那些深層的問題較不關心,而只專注在許多基本粒子與作用力的分類上。霍金挖苦地說,他們所琢磨的東西就像「植物學」一樣,他一點興趣也沒有。

霍伊爾是霍金心中指導教授的首選,也是宇宙學中著名的學者。他是宇宙學理論中一個稱為「穩態理論」的共同創立者。對於被指派給夏瑪這件事,讓霍金有些失望。在霍金的生命裡,看起來像是挫折與不順的事情,再一次地變成是一個祝福。隨著霍金對霍伊爾的穩態理論有愈來愈多的了解之後,他也愈來愈不認同這個理論。事實上,在他剛當研究生不久,就在倫敦由皇家學院主辦的一場研討會中最後的問答時間裡,有了驚人之舉,他站起來宣告說他找到了霍伊爾的數學計算的錯誤。幾年之後,他再次在這個傷口上撒鹽。他在他的博士論文的第一章,便對穩態理論提出了批評。

霍伊爾是一位傑出的物理學家,他對於氫與氦如何經由恆星中的核反應而形成重元素做了開創性的研究。然而,以一名科學家而言,他卻犯了一個嚴重錯誤:無視於指出偏愛理論有誤的關鍵證據,在這裡的例子是穩態理論。所以,如果霍金如願地成了他的學生,那絕對不會有什麼愉快的時光。在另一方面,夏瑪也是一位傑出的天文學家,但他後來捨棄了霍伊爾的理論,因此對於霍金鄙棄該理論的態度,雙方沒有什麼衝突。

雖然在指定教授的人選這件事情上,霍金是幸運的,然而關於專攻領域的選擇卻有個問題:他對於宇宙學知之甚少。雖然他在牛津的大學部讀的是物理,但卻涉獵不深。可以像他這麼快便在這個研究領域裡嶄露頭角,聲名大噪,這不僅告訴我們他有多麼聰明,也告訴我們物理學的一些特質。
在理論物理裡,你可以學得很快,因為這個領域的進展取決於觀念上的理解,而不像在法律或醫學的專業,需要知道很多的事實或案例。「你不需要死記,」霍金有一次咧開嘴笑著跟我說,「你可以推導。」這是因為物理學把經驗濃縮成一個很簡潔的形式。例如說愛因斯坦的方程式,可以短短地寫成一行,然而它們就像一串記錄著無數個系統的行為與特性的密碼,從行星軌道到足球的飛行軌跡,再到恆星塌縮成黑洞,全都涵蓋在內。

愛因斯坦簡潔的方程式卻有如此大的威力,並不是魔術。由這幾個少數的符號所組成與代表的觀念,需要耗費很大的精神與努力才能完全掌握。就某種程度而言,我們所有的人都會濃縮我們的經驗。若非如此,這個世界就會複雜到無法理解的程度。我們不會去留意福特的車在紅燈時停下來,豐田的車在紅燈時停下來,福斯的車在紅燈時停下來等等。我們會把所有的這些觀察統括成一個原理(principal)或一條定律(law):「車子在紅燈時停下來」。這就是我們物理學家在做的事,只是濃縮的程度在一千倍以上,而且我們把濃縮過的定律以優雅的數學形式來表示,這讓我們可以由某個定律推導出另一個定律。律師就沒辦法這麼做,因為雖然在法學裡可能有些一般性的指導原則(principal),但是人類的法律(law)是一種特別的創造物,而且沒辦法從某個法律去推導出另一個法律。醫生也沒辦法單從某一組基本原理,就推導出人體解剖學中的許多細節。物理定律的這個特點,讓每一位物理學家都感到驚詫不已。

霍金所鑽研的書籍與論文,濃縮了我們對於宇宙學原理的認識,而且他學得很快。雖然他預期自己只剩下幾年的生命,但在宇宙學裡,他至少是把時間花在處理令他可以感到興奮的問題上。

註釋

[6]Sciama發音為she-ama。


※ 本文摘自 《時空行者 史蒂芬.霍金》,原篇名為〈選對指導教授很重要〉,立即前往試讀►►►

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