The Fabric of the Cosmos

書名：The Fabric of the Cosmos: Space, Time, and the Texture of Reality

作者：Brian Greene

出版年：2004

連結：Amazon

一本 500 頁的書竟然可以涵蓋相對論、量子力學、弦論等艱深理論。重點是作者還能寫得有深度，不因它是一本科普書而寫得過於表面。

會找到這本書是因為看了作者 Brian Greene 製作的一部科學影片 "The Elegant Universe"，這影片用了很多厲害的特效來表現物理學的奧妙，但內容深度不夠。例如，看完影片你知道愛因斯坦說時間會扭曲，量子力學的世界很奇怪，但感覺就是少了什麼，騷不到癢處。當然這也不能怪作者，短短兩個小時的影片根本放不下太多的內容。所以為了滿足好奇心，我就找了這本書來看，書名 "The Fabric of the Cosmos" 取得很有詩意，意思是宇宙的本質就像布料，那樣的飄逸柔軟。

這本書講了很多東西，也不是全部都是我有興趣的，遇到沒什麼興趣的章節，例如天文學，就看得很痛苦，但撐過去之後，又是一片海闊天空。這裡就寫一些我覺得有趣的部分。

空間是什麼？空間是真的東西，還是只是我們的幻覺？什麼是完全的空？如果空間沒有任何物質，那還有我們所認知的空間嗎？就牛頓的觀點來看，不管物質存不存在，空間是絕對存在的，而且是靜止不動的，空間是唯一絕對的參考座標系。這種解釋叫「絕對主義」（Absolutism）。「相對主義」（Relationalism）者（如萊布尼茲和馬赫）提出不一樣的看法，他們認為我們在空間的位置和速度都是相對於其他的物質（太空中的星星）。如果空間完全淨空，沒有物質可供參考，就不會有位置和運動的概念。所以用相對主義的觀點來看，空間其實並不存在，是物質決定了一切。

時間是什麼？為什麼我們感受到的時間是單向的？為什麼我們生活中觀察到的現象，似乎都是單向的？雞蛋掉到地上會破，但我們曾沒見過雞蛋從破掉的狀態還原。大部分物理定律裡的時間都是雙向的，正反向時間套到公式都對。實際上，牛頓定律還告訴我們，一個破掉的雞蛋，如果它的每個原子能以它摔落時相反的速度運動，那麼循著物理定律，雞蛋就會還原成完好的狀態。既然物理定律都這麼說了，為什麼我們仍看不到這種「奇蹟」？一種解釋是這種奇蹟可能發生，只是機率微乎其微罷了，畢竟要讓雞蛋每個原子都剛好有某個初速實在太難了！

另一個合理的解釋就是這跟亂度（Entropy）有關。為謂亂度？簡單來說，就是當你去擾動某個系統，整體狀態仍看起來差不多，就代表亂度高。舉個例子，一本書頁次排得好好的，你去隨便調動幾頁，這本書就跟原本差很多了，所以排好頁次的書亂度極低（即非常有秩序）。相反的，你把一本書的每一頁撕下來，洗牌後丟到地上，此時你再怎麼亂動，這本書看起來還是一樣亂，所以這種狀態下亂度就很高。

提高和降低亂度，那個容易？一本書頁次排好只有一種可能，而亂七八糟的排法多到數不清。你能輕易的把東西弄亂，弄整齊卻要花很多時間，所以顯然是提高亂度比較容易。宇宙整體的亂度似乎也是愈來愈高，亂度變高是自然趨勢，不需要理由。因此我們只能看到雞蛋破掉（亂度變高），而看不到雞蛋還原（亂度變低）。

這本書最精采的地方是狹義相對論和量子力學。以前在大學普物課本上讀過狹義相對論，當年的我會用公式解題，但就是少了一些「直覺」（換句話說，就是沒 fu）。這本書作者很厲害，用了一個全新的方式解釋狹義相對論，現在我雖然已經忘了題目怎麼算了，但卻因為這本書有了狹義相對論的「直覺」。

因為實在太酷了！就讓我簡單講一下作者是怎麼解釋狹義相對論的。先假設我們的空間是二維的，而時間仍是一維，時空結合起來可以形成一個三維的長方體，作者把這個長方體比喻成一條長長的時空土司（Spacetime Loaf）：

當我們切下一片土司時，那片土司就代表某個時間點的空間。你切土司的方法就是你對時間感受，你每切一刀，就代表你的「現在」。當你靜止不動時，你切土司的方法如下圖左（藍線）；而當你運動速度愈來愈接近光速時，你切土司的方法如下圖右（紅線）。這代表什麼？這是說，如果你和另一個人速度不一樣，你看到空間中兩處同時發生的事件（例如：A 和 B 兩人同時中彈身亡），另一個人看到的就不是同時的（即 A  先死，B 才死）！這就是狹義相對論裡一定會先學到的「同時性的相對性」（Relativity of Simultaneity）。

你可能會感覺藍線的切法比較「正」，紅線比較「斜」，但請把空間想成是一個無限大的平面，就不會有所謂那一個比較正的問題了。所有切法都正確，只是觀察角度不同罷了。這就是時間相對的概念。

要明顯觀察到「同時性的相對性」效應，必須有兩個速度差距很大（非常大，如光速的 1/4 倍）的東西才行。而我們現在看來很快的東西，無論是噴射機還是火箭，跟光速比還是微不足道，在這種慢速的情況下，時空土司的切法幾乎相等，所以根本感受不到時間的偏差。不過徜若雙方彼此距離遙遠（非常遠，如好幾百萬光年），就算速度慢，還是會造成很大的效應。這是因為「弧長 = 半徑 x 角度」，只要半徑夠大，就算角度很小，弧長還是能大到你要的程度。作者舉了一個例子，想像你坐在椅子，一個距離你一百億光年的外星人也坐在椅子上，若你們彼此沒有相對運動，你們的「現在」就是一致的。但是只要那個外星人站起來走動，他的「現在」可能就比你早或晚上百年，走幾步路竟然可以跨越百年的差距！我們感受到的「現在」其實是幻覺，時間相對的概念下，「現在」根本不存在。

既然如此，為什麼我們對「現在」的感受這麼深刻？或者應該問，為什麼我們只能感受到「現在」這個瞬間？畢竟在相對論裡，時間和空間、過去和未來應該視為一體，糾纏在愛因斯坦的方程式裡，為什麼我們不能感受過去和未來？這問題目前仍無解答，而且可能永遠是個謎。

先寫到這裡，有時間再來寫量子力學的部分。