光錐．蛀孔．宇宙弦

序　時間探索之旅    皮寇弗

追求永恆

時間是什麼？時間旅行是否可能？幾世紀以來，這些問題一直深深吸引著神祕主義者、哲學家及科學家；古希臘哲學大部分牽涉到對「永恆」這觀念的暸解，「時間」這個主題正是世上所有宗教及文化的中心問題。我們能不能停止時間的流動？有些神祕主義者肯定認為可以，例如公元六世紀的哲學家及詩人西勒修斯（Angelus Silesius），就認為精神的力量可以使時間暫停：

時間是你自己發明的東西；
它的時鐘在你腦海中滴答響著。
你停止思考的那一瞬間，
時間也完全停擺。

本書大部分是談與時間旅行有關的「科學」，只會稍微觸及一點神祕主義，不過，科學和神祕主義之間的分界有時會變得很模糊，今日的物理學家都會同意，時間是宇宙最神祕的特性之一。有一個科學界流傳的笑話是這樣說的：有位初到美國的移民掉了手錶，他在紐約的街上問一個人說：「先生，請問現在時間是什麼？」被問的人（是位科學家）回答：「對不起，你應該去問哲學家，我只是個物理學家。」

大多數語言的文法都含有表示過去和未來的「時態」，也有一些用來劃分時間的名詞，例如分、秒、昨天和明天，可是我們還不能精確說出時間究竟是什麼。雖然對時間的科學研究始於伽利略（G. Galilei, 1564-1642）及牛頓（I. Newton, 1642-1727）的時代，可是一直要到二十世紀，才由愛因斯坦（A. Einstein, 1879-1955）提出綜合性的解釋。

愛因斯坦宣稱，時間只是時鐘標示出的量；這個鐘可以是行星的自轉、沙漏裡的沙粒，也可以是心跳或銫原子的振動。典型的落地大擺鐘依循著下面這個簡單的牛頓定律：一個不受外力影響的物體，速度永遠不變（動者恆動），也就是說，鐘的指針在相等時間內會走過同樣的刻度。雖然這種鐘在日常生活中很有用，可是近代科學發現，時間可以用各種不同的方式彎曲，就如雕塑家手中的塑泥一樣。

科幻小說作家在取材時，會把時間旅行運用在許多不同的用途上，例如去獵恐龍、旅遊、拜訪某個角色的祖先、蒐集動物等等。自從威爾斯（H. G. Wells）的著名小說《時光機器》（1895）問世以來，人們對時間旅行構想的好奇心一直有增無減。（我很幸運，有機會和威爾斯的孫子閒聊。他告訴我，他祖父的這本小說從未絕版過，這對一世紀之前出版的書來說是很罕見的事。）書中主角所用的是一部「黑色及亮黃銅色相間」的時光機，這台機器不但能讓主角在過去、現在、未來之間來去自如，更能以機械方法控制時間。

威爾斯畢業於倫敦大學的帝國學院（Imperial College of Science, Technology and Medicine），因此科學詞彙在他的小說中處處可見。許多人認為威爾斯的《時光機器》是第一本關於時間旅行的書，但在威爾斯於二十二歲那年寫下初稿前七年，就已經有人寫過了，這個人就是當時紐約《太陽報》（Sun）的編輯密契爾（Edward P. Mitchell），他發表了一篇標題是〈向後走的鐘〉（The Clock That Went Backward）的文章。

小說裡用來描述時間旅行的其中一種早期手法，則沒有引用到機器；例如在歐文的著名短篇小說《李伯大夢》（1819）中，李伯這位老兄一睡就睡了數十年，此外還有亞瑟王的女兒葛溫妮絲，在魔法師梅林的魔咒下沈睡了五百年。

關於時間彎曲的古代傳說很多，最富詩意的要算是下面這個中世紀傳說了：有位隱修士被一隻魔鳥的歌聲迷住了整整一分鐘，等鳥兒的歌聲停止之後，他發現世間已經過了幾百年。另一個例子是關於穆罕默德的回教傳說，說他被母馬帶到天上，並且在天上待了很久，後來這位先知回到人間時，及時接住了母馬帶他上天之前踢翻的一壺水。

現在我們知道，時間旅行不僅僅存在於神話、科幻小說及好萊塢的電影當中，甚至還存在於理論物理學家的臆測中；時間旅行是可能做到的。舉例來說，高速運動的物體就比靜止物體衰老得慢，這也就是說，如果以近乎光速的速率旅行到太空去再回來，你甚至有可能旅行到地球時間數千年之後的未來！除了高速旅行，研究者還提出了許多看似不違反物理定律的時光機，這些能讓你旅行到過去或未來任何一處的方法，將留待最後再來討論。

牛頓對科學的最重要貢獻，就是以數學的方法定義出運動如何隨時間變化。他證明了，使蘋果掉落的力，就是使行星運轉以及使潮汐發生的力。可是，使牛頓困惑的現象是，重力似乎可隨即在任何距離外（超距）發揮作用。他承認他只能敘述重力，卻無法瞭解重力如何作用。一直要等到愛因斯坦廣義相對論（general theory of relativity）的出現，重力才從一個使物體運動的「力」，變成物體在時空連續體中走測地線的運動。太陽使時空彎曲，被彎曲的時空則告訴行星怎樣運轉。

對牛頓來說，空間是固定的、是無窮大的，其度規不變，並可按這度規測定出絕對的運動。此外，他也認為絕對的時間遍及整個宇宙，而且這個絕對時間，可用一個放在宇宙中任何一點的假想鐘來度量。愛因斯坦按照自己的相對論理論，把牛頓的這些觀念都改了，有一次甚至還寫了這麼一句話：「牛頓，請原諒我。（Newton, forgive me.）」

愛因斯坦對時間研究做出的第一個主要貢獻，是證明出時間如何隨運動狀態改變，並以他的狹義相對論（special theory of relativity）為物理學帶來了徹底的改革。今天，科學家不認為時間或運動的問題是「絕對」的，只有單一的（絕對的）正確解答。對運動中的人來說，時間具相對性（與速率有關），因此宇宙中心絕不可能有一個主鐘讓每個人去校對時間。對於以近光速運動的外星人來說，你的一生可能只是他一眨眼的瞬間。

如今，牛頓力學變成愛因斯坦相對論中的特例（子集合），而在未來，相對論也將成為另一門新科學的子集，而這門新科學將對宇宙結構做涵蓋更廣的描述。（「相對論」的「相對」二字源自「世界的外觀取決於我們的運動狀態」這一論據，本身就是「相對的」。）

我們僅是天文時間中的一瞬間，地球上的短暫過客，大腦不足以讓我們理解時間和空間的許多奧祕，它之所以演化出來，是為了讓人類躲避在非洲草原上奔馳的老虎，順利獵到鹿，以及更有效地從大型肉食猛獸殺死的動物殘骸上搜尋可食可用之物。儘管智力上的諸多極限，人類的成就已經相當驚人了；我們已設法把宇宙之幕拉開一絲裂縫，使宇宙祕密之光照射進來。從牛頓、哥德爾到愛因斯坦再到霍金，這些物理學家提出的問題，只是我們所能問出的問題中最淵深的一部分。

時間是實數嗎？它是不是只朝一個方向流動？它有起點或終點嗎？這些問題目前都還沒有能使科學家感到滿意的解答。不過，光是問這些問題，就足以擴展我們的思路，而不斷探索解答的過程，更提供了極有助益的洞察力。

本書是為什麼人寫的？

這本書可以讓你在時間和空間中旅行，你不必精通物理就辦得到。有些資訊會重複引用，不過我會建議你從第一章到最後一章逐章閱讀，這樣就可以逐漸累積知識。

為了使你的旅程一路順暢，我在各章開頭幾乎都會以對話來開場，對話的主角是幾個進行時間實驗的古怪探險家，地點則是（通常）很安全的紐約市音樂博物館。我之所以寫這本簡單的科幻小說，不只是為了好玩，其實還有一個較嚴肅的目的：幫助各位發揮想像力。我們也許還不能像書中人物這樣輕而易舉地時間旅行，但至少時間旅行未被目前的物理定律所否定。在閱讀故事的同時，你或許可以想想人類對於未來時間旅行科學發展的反應。

在寫這本書時，我並沒有打算要寫一本既有系統而又無所不包的時間研究書籍，相反的，我選擇了一些與時間旅行有關的題材，我認為這些題材會啟迪各種背景的讀者。雖然愛因斯坦的相對論已經誕生了一世紀之久，許多人還是不太清楚其中的奇特推論，人們在聽到相對論時，仍舊帶著敬畏、迷惑而無所適從的心情。即使有了愛因斯坦的理論，人類對於「時間」這觀念的瞭解仍然很模糊，仍有許多疑問及似是而非的論說尚待解決或闡明。

等看完本書，你應當能：

* 充分暸解時空圖、光錐及時光機。
* 讓朋友對你刮目相看，因為你知道下面這些專有名詞：宇宙瞬時線（cosmic moment line）、超越無窮速率（transcendent infinite speed）、勞倫茲變換（Lorentz transformation）、因果聯繫（causal linkage）、超光速與極超光速運動（superluminal and ultraluminal motion）、明可夫斯基時空（Minkowskian spacetime）、哥德爾宇宙（Goedel universe）、封閉類時曲線（closed timelike curve）及提普勒柱面（Tipler cylinder）。
* 替一些像是「星艦迷航記」、「X檔案」等電視影集寫出更好的科幻情節。
* 為不同形態的時間旅行寫出電腦模擬程式。
* 暸解人類對時間的觀點實在極為有限。
* 暸解時間旅行是可能的。

說不定你還會走進唱片行買一張蕭邦的CD呢！

台灣大學物理系畢業，美國康乃爾大學物理博士。曾在普林斯頓高等研究院博士後研究二年，鑽研超新星的形成及中子星的構造，奠定現代中子星理論的基礎。之後在美國航空暨太空總署（NASA）馬里蘭州戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）擔任太空科學家及天文物理學家。退休後，專事寫作翻譯，著有《新封神榜——紂王與妲己》（九歌）、《吳大猷──中國物理學之父》（智庫），譯作有《預約新宇宙》（智庫）、《億萬又億萬》（商周）、《抓時間的人》（雙月書屋）、《數學與頭腦相遇的地方》、《物理學家的靈感抽屜》、《物理與頭腦相遇的地方》、《光錐．蛀孔．宇宙弦》、《宇宙的六個神奇數字》、《量子重力》（後六本皆為天下文化出版）。