本書導覽： 大自然奧祕的解答，就存於好奇心中 ◎文／江國興（國立清華大學天文研究所專任教授） 小時候我的爸爸總愛講一些科學家的故事，也許這就促使我從小就十分喜愛科學，以及對科學家的生平事蹟產生興趣。我印象最深刻的故事是阿基米德的「Eureka！」（我發現了！）及牛頓的蘋果樹。雖然這兩個故事有可能都是虛構的，但可以確定的是，阿基米德和牛頓都有著如故事中驚人的洞察力和聯想力，再配合他們非凡的數學才華，使他們成為偉大的科學家。 《重力簡史》一書便從牛頓的蘋果樹開始說起。時至今日，那棵蘋果樹仍立於英國林肯郡的伍爾索普莊園，還成為英國50棵最重要的樹之一。在伍爾索普莊園內，牛頓改寫了現代科學，他不到2年便發明微積分，以及完成光學和萬有引力的研究。雖然牛頓的學術成就很早已在學術界得到認同，在離開莊園後隨即成為劍橋大學教授和皇家學會院士，但他偉大的萬有引力理論，要待20年後才正式發表。 這本書的第一及第二章便試圖分析箇中原因。牛頓除了個性複雜且矛盾，更是位實用和完美主義者。雖然他早已發現讓蘋果掉下來的力量，與讓月亮掛在天空的力量，都源於同一種力。他必須證明重力是種萬有力，主宰宇宙一切物體的運動，並以精準的數學語言描述，更要說服自己這的確是一套完美的理論。因為哈雷的一個問題，牛頓再次投入重力的研究，更精益求精，將成果以臻於完美的方式呈現。這便是1687年出版的《自然哲學的數學原理》，而哈雷彗星更是牛頓的運動定律與重力定律的最佳驗證。今天，哈雷的房子和天文台仍保留在牛津大學城內，每次我回到校園時，總會到他的故居緬懷他當年鼓勵牛頓發表其偉大著作，促使現代科學的發展。 牛頓的重力定律不只具有普遍性，還很簡單。這就是科學的美。重力平方反比定律，可以解釋行星的運動、尋找新的行星，甚至太陽系外行星、測量銀河系中心黑洞的質量，以至推算暗物質的分布。坊間很多探討重力的科普書籍都有精采的描述，但這本書的最大特色是，作者花了很多的篇幅論述重力與潮汐的關係。潮汐跟我們日常生活息息相關，特別是台灣四面環海，河流貫穿大城市，潮汐預報更不可或缺。牛頓便是第一個以完備的理論解釋潮汐因由的科學家。書的第三章除了討論牛頓怎樣利用萬有引力理論預估漲退潮時間，更比較月亮與太陽對潮汐的作用，以及潮汐對井水和大型強子對撞機的影響，最後更延伸到太陽系內其他衛星。事實上，在宇宙裡所有雙星系統都不能忽略潮汐力。 牛頓的研究和著作打開現代科學的大門，而1846年發現的海王星更將牛頓的萬有引力理論推至極致。可是問題終於來了，牛頓的重力理論未能解釋水星的異常軌道。雖然這是一個有趣的問題，但在愛因斯坦之前，沒有人意識到這是源於牛頓對時間和空間概念的誤解。 愛因斯坦的事蹟和科學成就在本書的第五、第六，以及部分的第七章有簡單的描述，篇幅明顯比牛頓的少。可能是因為坊間已有大量與愛因斯坦有關的科普書籍，但重點是作者帶出愛因斯坦跟牛頓作為偉大科學家的特徵，以及他們對科學的態度。愛因斯坦跟牛頓一樣，是一位專注力十分高的科學家。書中提到1905年是愛因斯坦的「奇蹟年」，愛因斯坦花了幾個月就完成4篇重要的科學論文，其中光電效應為他贏得了1921年的諾貝爾物理學獎，而狹義相對論和質能轉換更奠定相對論的基礎，當中E=mc2更是家喻戶曉的方程式。愛因斯坦放棄牛頓對於絕對空間與絕對時間的概念，推翻牛頓的世界觀，用自己的一套想法全新演繹現代物理。 雖然牛頓與愛因斯坦的時代背景完全不同，但他們石破天驚的發現有一些相似的地方。牛頓的「奇蹟年」是在與世隔絕的伍爾索普莊園，當時他剛從劍橋大學畢業，為躲避鼠疫而回家；而愛因斯坦的「奇蹟年」，是他找不到大學職位，只能在瑞士伯恩專利局當三級技術專員。也許是生活乏味枯燥，讓他們驚人的專注力花在研究上。他們問了一些很基本，很簡單的問題，然後放在心裡，時時刻刻專注思考，直至得到滿意的答案。牛頓受到伽利略的啟發，發展出他自已的三大「運動定律」，進而解釋克卜勒定律和發現萬有引力定律，還自創微積分這門數學工具（與德國數學家萊布尼茲同期但各自獨立發明微積分）。發現過程雖然不到2年，但編撰成書卻耗時20年。愛因斯坦則延伸伽利略的相對性原理，屏棄牛頓的絕對空間和絕對時間概念，找到光速恆定，從而解答他16歲時問的一個問題：「如果能夠追上光，那會是什麼樣子？」也就是說，這個問題在他心中有10年之久。牛頓解答了克卜勒從觀測歸納出來的行星運動，並推廣其理論到其他科學領域，愛因斯坦則回答了光的本質，徹底改變物理學的基礎。 因狹義相對論不能在加速的環境應用，加上光速恆定跟牛頓的重力定律在概念上有所衝突，愛因斯坦必須將相對論廣義化。從狹義相對論到廣義相對論，愛因斯坦花了接近10年的時間，專注的研究工作更導至日後的家庭問題，其中最主要的目的是要解釋重力的本質。牛頓將重力想像成平方反比定律，兩個物體之間必定有一道「力」牽引著，但就沒有說明這道「力」到底是什麼。愛因斯坦將重力化身為時間和空間的扭曲，不僅如此，物質能改變時空的形狀，而時空的形狀又主導物質移動的方式。這是廣義相對論最奧妙之處。 廣義相對論發表後，愛因斯坦隨即要解答重力的傳播問題，亦即時空結構中的波動，也就是第六章討論的重力波。重力波無疑是廣義相對論其中一個最重要的驗證，科學家努力了100年，終於在2015年9月14日首次偵測到重力波。這本書剛好出版在2016年2月的重力波發布會之後，在前言和第六章都有介紹這次發現的重要性。過去兩年，重力波的觀測可謂突飛猛進，至2017年8月為止，科學家共找到5個來自雙黑洞合併所產生的重力波。而在2017年8月17日，更發現首個雙中子星合併的重力波，並找到來自合併所釋放的電磁波輻射，也就是光子，使我們更了解中子星合併後的演化過程，這是一次史無前例的觀測。而三位來自雷射干涉重力波天文台（LIGO）團隊的靈魂人物，更獲得2017年的諾貝爾物理學獎。待LIGO在2018年年底經升級後再次運作時，重力波的研究將大放異彩。 廣義相對論將現代物理學推向一個新的高峰，但同時帶來新的問題。廣義相對論可以推導出黑洞和大霹靂，它們的共通點是奇異點的存在。由於奇異點的重力是無限大，換句話說，時空扭曲至無法描述，廣義相對論因此面臨重大危機。要了解奇異點的物理，我們要結合廣義相對論和量子論，也就是量子重力論。可惜的是，廣義相對論和量子論的本質並不相容。書末兩章便介紹量子重力論的最新發展。我們可以預期，這套更深層的理論，將會幫助我們進一步了解宇宙誕生之謎。 牛頓和愛因斯坦同樣被掉下來的東西吸引著，透過思想實驗，造就了驚人的發現，更用一套漂亮的數學語言使之呈現。科學之所以引人入勝，就是你永遠不會知道正確答案，而你的責任就是盡情發問，脫去前人的枷鎖，透過思考和觀察，尋找最簡單的答案，也許過程充滿挫敗感，但最後你會感受到喜悅。這就是大自然。剛逝世的霍金說：「我希望鼓勵更多人去想像和探討已知和未知的科學。」 內容簡介：◆《週日泰晤士報》2017年度科學選書 ◆ 暢銷科普作家 馬特．瑞德利盛讚：當代最好的宇宙學作家！ 國立清華大學天文研究所專任教授 江國興 審訂導讀 國立自然科學博物館館長、國立臺灣大學物理系暨天文物理研究所教授 孫維新 台北市天文協會常務理事 劉志安 聯合推薦 宇宙大霹靂之後，如果重力沒有「開啟」，時間可能會倒轉？ 與你擦身而過的人，還有你口袋中的手機，都與你相互吸引？ 月球與太空艙裡失重的太空人，其實都正在往下掉？ 月球的潮汐力不只影響海洋，就連固態岩石也難逃魔掌？ 越接近地面的人，時間過得越慢，也就越年輕？ 2015年發現的重力波，將帶領人類去到什麼地方？…… 重力是日常世界裡最微弱的力量，但在宇宙中，它卻是最強大的。儘管17世紀以來，人們便知道重力的存在，我們對它的了解卻非常有限，至今也仍未解開其核心之謎…… 獲獎科普作家馬可士．鍾將帶領你穿梭古今，從1666年牛頓認知到重力，到2015年科學家發現重力波。旅程中，你會看到牛頓如何證明讓蘋果落下的力量，與讓月球繞著地球轉動的力量並無不同，並據此解釋了行星運行與海洋潮汐，甚至預測到未知的海王星。然而，牛頓的重力論無法解釋水星的異常運行，直到愛因斯坦提出「相對論」才解決這個難題，他甚至據此預測出黑洞，還有宇宙誕生時的大霹靂。但就如同牛頓的重力論，愛因斯坦的重力論本身也有其漏洞：光並非宇宙中行進最快的物質。為了解決此一難題，現今的科學家正試圖找出更深層的理論——量子重力論，以解答長久以來人們心中的大哉問：空間是什麼？時間是什麼？宇宙是什麼？宇宙又從何而來？ 作者以一篇篇科學家的生平軼事，以及循序漸進、有趣易懂的解釋與比喻，帶領讀者進入相關理論的核心。翻開本書，相信你不會再認為天文與物理深奧難解，並深受吸引！ 【各界好評】 牛頓和愛因斯坦同樣被掉下來的東西吸引著，透過思想實驗，造就了驚人的發現，更用一套漂亮的數學語言使之呈現。科學之所以引人入勝，就是你永遠不會知道正確答案，而你的責任就是盡情發問，脫去前人的枷鎖，透過思考和觀察，尋找最簡單的答案，也許過程充滿挫敗感，但最後你會感受到喜悅。這就是大自然。 ——國立清華大學天文研究所專任教授 江國興 我們站在地球上，地球繞著太陽運轉，太陽系家族運行在銀河系之中。銀河系與鄰近星系相互間的拉扯，整個宇宙無處不有重力的勢力存在。身在其中，你對重力了解多少呢？且讓作者以說故事般的口吻，帶你輕鬆探索「重力」的奧祕吧！ ——台北市天文協會常務理事 劉志安 作者以優美且節奏極佳的筆調，詳細說明了自然界中最熟悉之力：重力。本書內容組織嚴密且探究詳細。 ——《出版人週刊》 內容精煉且容易進入，同時又面面俱到。本書是值得收藏的科普作品，全書筆調輕鬆，並富含相關引證。 ——BBC《夜之星空》雜誌（Sky at Night Magazine） 重力雖微不足道，卻支配著宇宙。科學作家從未忽略這個主題，但2015年發現的重力波震驚世界，並引發一連串的資訊更新。作者很早便著手鑽研此一主題，讀者若想尋找清楚易懂的科普作品，可先從本書開始。文中所提重力之謎的最新進展，或許遲早能幫助物理學家解釋所有事物。 ——《柯克斯評論》 獲獎無數的馬可士．鍾提供了一份易於理解的指南，讓科學門外漢能夠了解截至目前為止，科學界對重力的所有發現與理解。他也認為，若我們能更加了解無所不在的重力，將有助於看透宇宙最深層的奧祕。在不運用公式與專業術語的輕鬆筆調下，作者再次證明自己是一流的科普作家。 ——《書單》雜誌 本書提供讀者與他們的內部原子一段有趣的科學史。 ——《科學》期刊 在一連串巧妙結合與精心雕琢的故事中，馬克士．鍾追溯了人類2,500年來在了解物質本質與起源上的探索。 ——《達拉斯早報》 閱讀一本內容極佳的科普書，是現代生活的一大樂趣。這份貫穿生命、宇宙與萬物的導覽，提供了無窮的樂趣。 ——英國《獨立報》 作者對控制宇宙命運的自然界最弱基本力量，做了有趣且令人腦洞大開的導覽。 ——科普作家 曼吉特．庫馬爾（Manjit Kumar）發表於《泰晤士報》 馬可士．鍾是位良師益友。他在不運用專業術語與可怕數學的情況下，清楚講述了故事，也說明了重要概念……理論物理學家阿爾卡尼—哈米德強調「現在是研究重力的好時機」，而這本極具可讀性的作品會協助我們了解原因。 ——科普作家 格雷厄姆．法莫羅（Graham Farmelo ）發表於《衛報》之好評 馬克士．鍾是英國傑出的物理學與天文學作家——非常樂見他回歸最擅長的領域……沒有人能像他這樣，以易於理解且令人愉快的筆調來介紹這個主題……我認為他對弦論的簡易基本描述，無人能出其右……馬可士．鍾再次以令人著迷的文字，將人類多年來對重力的探索寫得淋漓盡致……讀來令人愉快。 ——科普作家 布萊恩．克萊格（Brian Clegg）發表於popularscience.co.uk之好評 「每個人都認為重力沒什麼，但在宇宙的多數情況中，它極為強大。」這句格言式的前言，暗示了馬克士．鍾將以令人期待的適當機智與科學天賦，為重力做入門介紹，並追溯我們對力之理解的歷史軌跡。他告訴我們，牛頓1687年的著作《原理》如何協助解釋潮汐這類現象，而《原理》一書即是從宇宙的複雜性中精煉出基本定律來。作者分析了愛因斯坦將重力視為扭曲時空時所做的重新闡述。他也放眼至量子論這個奇特領域，以及下個大哉問：「尚未發現的國度」。 ——《自然》科學編輯 芭芭拉．凱澤（Barbara Kiser） 輕鬆寫意地貫穿宇宙學歷史與其可能未來，這一切都與我們理解重力的歷程緊緊相繫……作者在帶出理論暫定本質與琢磨理論混亂事物上表現卓越。 ——thebookbag.co.uk 作者將最著名卻最不被了解之力的歷史，說得清晰易懂。 ——《大誌》雜誌（Big Issue） 精采絕倫。 ——www.booklore.co.uk （書中）潮汐那一章所提到的內容，從塞文河的潮水到木衛一艾奧的擠壓與拉張，都極為引人入勝……作者對質量不同的物體會以同等速率掉落的解釋，是我讀過的最佳解釋之一……本書結尾講述了當前對於重力與量子論整合的努力，也對弦論與多維度空間進行了非常容易理解且讓人樂在其中的討論……真的讓人樂在其中，本書從未給人「物理學崩壞」之感，反而更像是我們正處於引發認知改變階段的關口上。 ——愛丁堡大學生物物理學教授 凱特．馬菲（Cait MacPhee）發表於《泰晤士高等教育》（THES）期刊之好評 馬可士．鍾完美捕捉到此主題的「偵察奧祕」。 ——《奇異時代》雜誌（Fortean Times） 好美妙的一本書啊！ ——理查．道金斯（Richard Dawkins）對《多美妙的世界》（What a Wonderful World）之好評 荒謬但巧妙，整個大成功……只需花費一個下午閱讀這本書，你所學到的知識也許就勝過童年上過的所有自然課程。 ——《旁觀者》期刊（Spectator）對《推特宇宙》（Tweeting the Universe）之好評 流行物理學的一流之選。 ——《衛報》對《我們得談談凱文》（We Need to Talk about Kelvin）之好評 內容樂觀風趣且極具見識。 ——《週日泰晤士報》對《創造的餘輝》（Afterglow of Creation）之好評 對於現代物理背後的偉大理念給予簡明扼要的介紹，難有比馬可士．鍾更佳的入門介紹了。 ——《新科學家》對《量子論不會傷害你》（Quantum Theory Cannot Hurt You）之好評 奇特、令人入迷且感到興奮。 ——《自然》期刊對《量子論不會傷害你》之好評 序跋： 關於重力，你可能不知道的6件事 ◎ 因為重力，你口袋中的錢幣，還有大街上與你擦身而過的人，與你有了相互的吸引力。 ◎ 整個地球的重力是如此微弱，以致當你舉起手臂，它無法對抗你的肌力。 ◎ 雖然重力十分微弱，但在宏觀世界中卻無可抵抗，因為它掌握了整個宇宙的演化與命運。 ◎ 每個人都認為重力沒什麼，但在宇宙的多數情況中，它極為強大。 ◎ 若在宇宙大霹靂（big bang） 之後， 重力沒有「開啟」，時間可能會倒轉。 ◎ 唯有了解重力，我們才得以解答世界的大哉問：宇宙從何而來？ 在路易斯安那州利文斯頓（Livingston）和華盛頓州漢福德（Hanford）兩地，各有一把4公里長的雷射尺。2015年9月14日，美國東部夏令時間早上5點51分，有股波動首先穿過利文斯頓，6.9微秒後傳遞至漢福德。這股波動毫無疑問就是重力波；愛因斯坦在一百年前就已經預測出重力波的存在，重力波即是「時空結構中的波動」。 過去，當地球上只有細菌大小的生物，在極為遙遠的星系中，2個有如怪獸、被鎖在死亡螺旋（death-spiral）中的黑洞，彼此產生最後一次振盪。它們碰觸並結合之時，造成整整3個太陽質量（solar masses）消失，有如海嘯般的時空扭曲再現，並以光速向外擴散。它的瞬間威力，比宇宙所有星體重力總和的50倍還大。 2015年9月15日，雷射干涉重力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory；LIGO） 的2個偵測器測得重力波，這是科學史上劃時代的重要時刻。試想一下，從出生就耳聾的人，在一夜之間突然聽得見的情況，這正是物理學家與天文學家當時的感受。縱觀歷史，我們向來就可以「看見」宇宙，而現在我們終於可以「聽見」它。重力波即是太空的聲音。若說這次的偵測，是繼1608年望遠鏡發明以來，天文學上最重要的進展，可是一點也不為過。 重力波證實了時空本身就是可以振動的「實體」，它如同池塘中擴散的漣漪一般，向外傳遞波動。這是愛因斯坦主張重力是時空扭曲的終極證明。牛頓想像「重力」從太陽向外作用，像無形的橡皮筋般牽引地球；愛因斯坦則認為，太陽在周遭創造了時空深谷，而位在其中的地球，則如同處於在巨大輪盤上的小球般，永無止境地環繞太陽運行。 雖然牛頓的重力論非常成功，不但解釋了行星運行與海洋潮汐，甚至還預測了海王星這個未知世界的存在；但愛因斯坦的重力論也不遑多讓，成功地解釋了水星的異常運行，預測了黑洞的存在，還有宇宙誕生時的大霹靂。但就像牛頓的重力論，愛因斯坦的重力論也種下了瓦解自身理論的種子。愛因斯坦的重力論預測，在黑洞的核心處與宇宙誕生之際，存在著荒謬的「奇異點」（singularity），此時的物理參數會躍升至無限大。 諷刺的是，科學最先提出、也是大家認為早就知道的力量，實際上卻最不被了解。借用邱吉爾的話，重力是「包在謎團裡的謎中之謎」。 在21世紀初的現在，我們正瀕臨一場新變革。物理學界展現了最大企圖心，要找出比愛因斯坦重力論更深層的理論—量子重力論（quantum theory of gravity）。目前也已經窺見誘人的新世界觀。另一位牛頓或愛因斯坦也許正等著展翅高飛，將零碎的拼圖拼出完整全貌；而更可能的情況或許是得仰賴數十人的合作努力才能解開謎題。許多物理學家相信，我們對現實世界的看法正處於震盪轉變之際，而這個新看法將比過往任何一種看法都有更深遠的影響。 比愛因斯坦重力論更深層的理論，會帶給我們曲速引擎（warp drives）及時光機那種能操控時間與穿梭平行宇宙的能力嗎？沒有人可以預測，就如同電力時代之前的人，也無法預測將來會有電視、手機與全球資訊網路。我們只知道，當我們最終能掌控這個難以捉摸的理論，就得以解答科學上的大哉問：空間是什麼？時間是什麼？宇宙從何而來？ 不過我說得太遠了。我們如何走到今日，來到廣大未知的物理境界邊緣？這故事要從1666年那個鼠疫年代說起，22歲的艾薩克．牛頓…… 目錄： 導讀 大自然奧祕的解答，就存於好奇心中 前言 第一部：牛頓 第一章：掉落中的月亮 牛頓如何發現第一個萬有定律——一個適用於所有位置與時間的定律 第二章：最後的魔術師 牛頓如何創造世界體系，發現了解宇宙的關鍵 第三章：當心三月的潮汐 牛頓的重力理論何以成果豐碩，不只可以解釋行星的運行，還能說明海洋的潮汐 第四章：未見世界的星圖 牛頓的引力定律如何能夠解釋我們所見及未見的一切 第二部：愛因斯坦 第五章：來追我啊 愛因斯坦如何理解到，沒有什麼東西的速度能快過光，而這個現象也與牛頓的重力定律相悖 第六章：掉落者之歌 愛因斯坦如何了解到「重力」只是錯覺，實際存在的只有扭曲的時空 第七章：上帝在哪裡出了錯 愛因斯坦重力論如何就黑洞「奇異點」做出瘋狂的預測，以及為何需要不會出現瘋狂預測的更深層理論 第三部：超越愛因斯坦 第八章：時空中的量子 量子論如何暗示時空的說法注定式微，時空必定源自於某種更為基礎的東西 第九章：尚未發現的國度 找出比愛因斯坦重力論更深層理論的奮鬥過程將會告訴我們：宇宙為何存在、宇宙從何而來 延伸閱讀 致謝
作 者： 馬可士．鍾Marcus Chown 譯 者： 蕭秀姍 出版社： 商周出版 I S B N ： 9789864774227 頁 數： 352 規 格： 15cm×21cm 裝 別： 平裝 印 刷： 單色 出版日期： 2018 年 03 月 29 日
