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別管黑洞了,跟著霍金上太空!:一位嚮導,七段旅程,138億年的宇宙旅行
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本書適用活動

內容簡介

◆國際暢銷書,售出多國版權 霍金親傳天文課,21世紀宇宙旅行生存指南! ★霍金親自指導的門徒,在時空旅行中為我們揭開宇宙的奧祕 ★以說故事的方式、情境式的場景,說明重要的天文物理概念,從外太空到量子空間,身臨其境探索宇宙 ★不用公式,沒有門檻,淺顯好讀的宇宙學入門書 NASA帶我們到了冥王星,為我們捎來50億公里外的心型地形影像 火星上發現了液態水的證據,打包去火星不是夢 著名物理學家霍金全面啟動尋找外星人計畫,告訴大家別惹外星人 現在,霍金的得意門生蓋勒法化身宇宙嚮導,帶領大家上太空! 「記得,要抬頭看星空,而不是低頭看腳下。試著理解你所見的現象,思索宇宙存在的奧祕。保持好奇心。」 ——霍金 ◎ 我們不在地球,就在穿梭宇宙的路上 很久很久以前,宇宙既不冷也不黑暗。 今日,宇宙正在膨脹,我們能預見宇宙的盡頭嗎? 在月球上如何觀星?在太陽上如何打星際電話? 跳進黑洞、穿梭蟲洞,時空彎曲是什麼感覺? 水星上的一夜等於地球上的一個月,特別難搞的水星為什麼與眾不同? 量子穿隧根本沒有隧道,量子弦也不是弦。為什麼物理學家這麼量子控? 本書帶領我們踏上一段充滿驚奇的旅程,前往瀕臨死亡的太陽表面,把我們縮小成和原子一樣大,並將我們送入黑洞的強大引力之中。在旅途中,我們將探訪古今宇宙哲人,深刻了解造就現代生活的各種複雜科學,包括量子力學和牛頓、愛因斯坦、費曼和霍金的各項理論。 國際知名天體物理學家蓋勒法師承物理學大師霍金,運用精采出色的故事講述技巧,以及幽默又不使人頭痛的方式,讓大眾體驗令人驚豔的宇宙之美,並引導我們深入探討時空的起源和人類的未來等大哉問。 本書以獨特的方式探索宇宙,為了解釋恆星生命終結時的情況,我們將會漂浮在太空中,近距離觀察即將死亡的恆星;為了說明廣義相對論,會在不使用專門術語的前提下,讓讀者感受到時空的彎曲;為了解析量子世界,我們則會縮小到比原子更小。 從外太空到量子空間,本書為我們上一堂霍金式的天文課,透過現代的雙眼,身歷其境遨遊宇宙。 ◎在宇宙的一角,我們遇見了牛頓、愛因斯坦、費曼和霍金 .我們將獲得特別的能力,踏上一段思想之旅。從地球在宇宙中的近鄰,一直到宇宙微波背景輻射,了解目前人類透過望遠鏡觀測到的宇宙是什麼樣貌。 .我們將透過現代理論物理的雙眼觀察我們所知的真實,並開始了解宇宙如何隨時間演變、宇宙的形狀如何改變,以及宇宙如何擁有歷史。 .我們將深入量子世界,探究極度微小尺度中的各種可能性,洞悉它們如何產生交互作用,形成各種物質以及我們所知的世界。 .我們將了解為什麼廣義相對論和量子物理不可能永遠正確。要突破困境,我們需要古怪的點子。我們也將開始跨越現有知識的極限。 .我們將深思我們不了解的事物,得知科學家為何借助暗物質、暗能量、量子跳躍和各種奇怪的詞彙來描述這個神祕的現實世界。 .我們將接觸到多重世界理論及近代各種千奇百怪的想法,發現物理學家正在探究平行宇宙,以及自然定律在時空中某些地方改變的可能性。 .我們將跨越到空間與時間的起源之外,探索人類的未來,並解析外星生物和人類這個物種的發展。 【讚譽推薦】 李家維(科學人雜誌總編輯) 吳俊輝教授(臺灣大學副國際長) 鄭國威(PanSci泛科學總編輯)

目錄

前言 第一部 宇宙 第1章 靜默的爆發 第2章 月球 第3章 太陽 第4章 我們的宇宙家族 第5章 太陽之外 第6章 宇宙巨獸 第7章 銀河系 第8章 宇宙盡頭的第一道牆 第二部 了解外太空 第1章 法則與規律 第2章 一塊麻煩的岩石 第3章 一九一五年 第4章 層層過往 第5章 膨脹 第6章 感受重力 第7章 宇宙學 第8章 我們的宇宙視界之外 第9章 大霹靂的確切證據 第三部 高速行進 第1章 做好準備 第2章 一個怪異的夢 第3章 我們自己的時間 第4章 青春永駐的祕方 第四部 躍入量子世界 第1章 一塊黃金和一塊磁鐵 第2章 像海裡的魚一樣 第3章 深入原子內部 第4章 嚴酷的電子世界 第5章 奇特的監獄 第6章 最後一種力 第五部 探究空間與時間的起源 第1章 滿懷信心 第2章 虛無並不存在 第3章 反物質 第4章 牆外之牆 第5章 四處都有失落的過去 第六部 意料之外的奧祕 第1章 宇宙 第2章 量子無限 第3章 活著,但其實死了 第4章 暗物質 第5章 暗能量 第6章 奇異點 第7章 灰色是新的黑色 第七部 超越已知的一步 第1章 回到起點 第2章 許多次大霹靂 第3章 沒有邊界的宇宙 第4章 一片未知的現實 第5章 弦理論 後記 致謝 資料來源

內文試閱

  想像在溫暖清朗的夏日夜晚,你身在偏遠的火山島上。周圍的海洋像湖泊一樣平靜,只有極小的波浪拍打著白色的沙子。萬籟俱寂,你躺在沙灘上,閉著眼睛。沙子曬過太陽,空氣也變得暖烘烘,充滿芳香的異國氣息。四周一片祥和。   遠處突然傳來一聲巨響,你跳了起來,盯著這片黑暗。   但是什麼都沒有。   發出巨響的地方現在又安靜下來,畢竟這裡根本沒有什麼東西需要害怕。這座島對某些生物而言或許危險,但對你沒有威脅。你是人類,地球上最強大的掠食者。你的朋友很快就會過來跟你喝一杯,而且你正在度假,所以你又躺回沙灘,專心想著值得人類思考的事。   夜空中閃爍著無數個微小的光亮,那些都是星星。即使不借助任何儀器,也看得到它們遍布四處。你想起小時候的疑問:這些星星是什麼?星星為何閃爍?它們距離我們多遠?而現在你的疑問是:未來我們真的能得到答案嗎?你嘆了口氣,躺回溫暖的沙灘上,把這些傻問題拋在一邊,心想幹嘛煩惱這些問題。   一顆小小的流星輕柔地劃過天空,你正準備要許願的時候,世界上最不尋常的事發生了:彷彿要回答你最後一個問題,五十億年突然一閃而過,等你回過神來,你已經不在沙灘上,而是在外太空,漂浮在太虛之中。你看得見、聽得到、摸得著,但身體不存在。你變得輕飄飄的,只剩下意識。你甚至沒有時間好奇剛剛發生了什麼事,或是大聲呼救,因為你處於非常特別的狀態之中。   在你前方幾十萬英里之外,一個球形物體在飛行,後方的背景是遠方的小星星。它發出暗橙色的光,邊自轉邊朝你而來。你很快就發現它的表面覆蓋著熔化的岩石,而它是一個行星,一個液化的行星。   你害怕得六神無主,腦中突然浮現一個問題:什麼巨大的熱源能使這麼大的行星液化?   但後來一個巨大的恆星出現在你右邊。跟那個行星相比之下,它大得令人吃驚。它也會自轉,也在太空中移動,而且似乎越來越大。   這個行星雖然已經接近許多,但現在看來仍然像是小孩子的橙色小彈珠,飛向以驚人速率膨脹的巨大球體。一分鐘之間,它的大小已經增大一倍。它原本是紅色的,激烈地噴射出許多道高達數百萬度的電漿,以看來非常接近光速的速度穿梭在太空中。   你看到的一切都美麗無比。事實上,你正經歷全宇宙最劇烈的事件。然而這個事件一點聲音都沒有。萬籟俱寂,因為聲音在太空的真空中無法傳播。   恆星當然無法以這麼快的速率持續膨脹,但它此刻確實如此。現在它的大小超越你的想像,液化行星受到的能量衝擊超越其強度,已經化為烏有。恆星對此完全視而不見。它不斷膨脹,變成原始大小的一百倍左右,最後突然爆炸,把構成它的所有物質噴射到外太空。   一道震波穿過你虛無的形體,接著只留下塵土,朝四面八方放射。恆星已經消失,變成一片壯觀的彩色雲朵,以極高的速度散布在星際空間。   你的知覺緩緩回復,速度非常慢。你明白剛剛發生了什麼事之後,一種奇異的清明感和可怕的事實充滿整個腦子。剛剛消失的不是跟我們毫無關係的恆星,而是我們的太陽。在太陽光芒中融化消失的則是地球。   我們的地球,我們的家,消失了。   你剛剛目睹的是世界末日。它不是猜測的末日,不是可能出自馬雅人的誇大幻想,而是真真實實的末日。你在這個景象發生前五十億年出生時,人類早就已經知道這個末日有一天會來臨。   史上首批進入太空的人類,返航後都因為地球的美和它只是無盡黑暗中的滄海一粟而變得謙卑。但這只是開端。你現在看到的景象更讓人嘆為觀止。   你知道銀河系是星系,但現在才了解這是什麼意思。從銀河系的上方(下方也可以,沒有差別),地球夜空中的白色雲帶看起來一點也不像雲,而是一片厚厚的圓盤,由氣體、塵土和恆星構成。銀河系在你正下方,散布範圍極廣,光必須花費數萬年才能穿越。這群恆星共有三千億個,受重力吸引而聚集在一起,環繞明亮的中心運轉。   如果你認為擁有行星、小行星和彗星的太陽系是我們的宇宙家族,如果你認為半人馬座比鄰星是鄰近恆星,那麼銀河系可以視為我們的宇宙大都市,有三千多億個恆星聚居在此,太陽只是其中之一。   恆星、塵土和氣體盤旋纏繞在一起,周圍是一片虛空,科學家把它稱為星系。如同我們的恆星稱為太陽,銀河系也是我們為自己所處的星系取的名稱。   銀河系中心有四條明亮的巨大旋臂,中間隔著黑暗的太空。這四條旋臂的交會處是一大團更明亮的氣體、塵土和恆星,裡面埋著你剛剛逃離的黑洞。從現在的位置看來,只看得到剛剛跟你一起離開銀河系中心的高能量物質噴流。   如果你難以理解三千億個恆星自己漂浮在太空中究竟代表什麼意義,也不需要太擔心,因為沒有人真正理解。但假如你回到熱帶島嶼後想跟朋友解釋你在太空中看到的景象,數字恐怕沒什麼幫助。這時應該請他們拿一個邊長為一公尺的正方形紙箱,再用沙灘上的沙子填滿整個紙箱,然後再請他們用同樣的沙子製作三百個相同的紙箱。銀河系中的恆星就跟這些紙箱中的沙粒數目一樣多。請你朋友飛回倫敦,把這三百個紙箱裡的沙子撒成圓盤狀,覆蓋特拉法加廣場,在上面畫四條旋臂,接著請他們坐在納爾遜將軍銅像的肩膀上。銀河系三千億個恆星目前在你眼中大概就是這個樣子。如果你告訴你朋友,在他們爬上高處前,你在某個沙粒上標了一個黃點,請他們找出那個沙粒,他們就可了解你位於真正的銀河上方,試圖找出太陽的位置時有多麼辛苦。要找出比太陽還小數百倍的地球當然更不容易。尋找恆星很不容易,但要發現行星更加困難。   你的意識位於銀河系上方,找起太陽確實比你朋友占便宜。你可以想像人類從地球或太空中拍攝的所有夜空相片,然後跟你現在看到的景象相比。多年以來,科學家已經繪製出銀河系恆星地圖,而且沒有離開銀河系,就相當清楚太陽(和地球)在銀河系中的位置。   為了比對夜空相片,你先集中注意力尋找星系中心的核球和黑洞附近,這裡一切都明亮、美麗又能量強大。在這麼特別的地方,如果有像我們這麼重要的物種,不是件很自然的事嗎?以我們的重要程度而言,太陽和地球位於這麼壯麗的地方應該十分合理又正確吧?   嗯,其實不是。太陽系位於四條明亮旋臂的其中一條,從銀河系中心黑洞到邊緣之間大約三分之二的地方。這個位置一點也不特別。而更讓人失望的是,現在你應該可以看到,儘管銀河系本身和地球相比之下極為龐大,它就宇宙尺度而言仍然毫不起眼。   你轉身面對其餘的東西,看看銀河系以外。你看到遙遠的宇宙中好像有幾個光點。你覺得很好奇,這些光點是四處漂流的恆星嗎?它們看起來有點太朦朧……又遙遠……它們……它們可能也是星系嗎?你在地球上用肉眼看得見它們嗎?   第二個問題的答案是否定的。除非你的眼力非常好,而且知道正確的觀察方向。   在地球上,你每次抬頭仰望夜空,你看見的所有恆星都隸屬於銀河系,也是你剛剛看到的螺旋圓盤的一部分。所有恆星都是。連那些看來距離夜空中的白色帶子相當遠的恆星也包含在內。銀河不是無限大的球體,而是大小有限的圓盤,地球並非恰好位於銀河系的中央,而比較接近邊緣。因此天空中各個方向看到的恆星密度差別很大,就如在地球上不同地點看到的夜空差別很大,因為每個地點都面對銀河系中不同的區域。   地軸呈現傾斜狀態,南半球永遠面向銀河系中心,北半球則永遠背向銀河系中心,而且這個方向的恆星少了許多,因此北半球的夜空也比南半球的夜空單調許多。   在你所在的熱帶島嶼沙灘上,你所謂的銀河只是銀河系的截面,這道白色的帶子包含數億個恆星,因為距離我們太遠,所以不易分辨,但它們發出的光融合成朦朧的白色帶子。現在你凝視著遠方未知的太空,準備讓你的意識飛到你覺得最神祕的地方,你突然發現這些光點看起來跟銀河系一樣模糊。   它們一定也是星系。   你正在這麼想的時候,在斜前方某處,另一個星系突然升起。這個景象相當驚人。它的邊緣由銀河底下浮現,很快地越變越大。它稱為仙女座星系,是銀河系的兄弟。這個星系非常龐大,很難相信人類花了多長的時間才發現它。   從地球上看來,仙女座星系在夜空中的面積大約是滿月的六倍,但它距離十分遙遠,因此儘管擁有一兆個恆星,但用肉眼觀察時只看得見核球部分。這個核球非常小。第一個留意到它(而且有書面紀錄)的人是波斯傑出天文學家阿卜杜勒─拉赫曼.蘇菲(Abd Al-Rahman Al-Sufi)。一千多年前,約第一個千禧年末,世界各地許多人窮盡短暫的一生互相征戰,發明毒辣的刑具,恐懼世界末日到來時,他仰望著群星。蘇菲是巴格達全盛時期最傑出的天文學家,但他把仙女座星系中央的核球描述成一片模糊的光,所以當然不知道它也是星系。此外,他連星系是什麼都不知道。事實上,關於星系的知識大約一千年後才提出。一九二○年代愛沙尼亞天文學家恩斯特.奧匹克(Ernst Öpik)和美國天文學家愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)發表觀測結果之前,沒有人知道星系是一大群聚集在一起的恆星。他們兩人首先留意到,其他這些恆星群和銀河系之間隔得很開,因此應該是獨立的天體。   仙女座星系是距離最近的證據,證明銀河系不是整個宇宙。   你看著仙女座星系,發現銀河系和壯觀的一兆個恆星互相環繞對方運行,你還發現宇宙中所有星系都在跳著宇宙芭蕾,這場芭蕾的舞者是單獨的發光體,一群群數十億個恆星,漂流在黑暗虛無的太空中。   一種異常強烈的感覺蔓延在宇宙地平線上,通過你的意識,開始包圍銀河系和仙女座星系,以及其他遠近星系。   在恰到好處的一刻,你突然看到了一切。幾十、幾百、幾千、幾百萬、幾億個星系。到處都是星系,形成大小不一的集團,形成如同燈絲的怪異結構,布滿整個可見的宇宙。   誰想得到會這樣?   幾分鐘或是幾小時前,你還躺在沙灘上度假,現在你的意識已經囊括整個可見的宇宙。以你現在的觀點看來,宇宙中的光點已經不是恆星,而是一群群星系,每一群包含數千個星系,每個星系本身又包含數億或數十億個恆星,銀河系就是其中之一。   你看著這些地方,擁抱這片令人驚奇的景象,不由自主地想,你在所有星系中尋找銀河系時碰到的困難,和你在銀河系中尋找太陽,或在特拉法加廣場尋找一個沙粒完全相同。儘管如此,你仍然讓意識自由,和思想一樣高速來去,看著星系旋轉、舞蹈、迴旋,接著撕裂分離,互相碰撞,你目睹小星系被巨大的鄰近星系完全吞噬,就此消失。   等一下。   你需要擔心這個嗎?   一眨眼間,你又回到銀河系附近,仙女座星系在上方,非常巨大。它有一天會不會也跟銀河系合而為一?這兩個星系目前確實互相環繞,但其中還有些什麼……你靈光一閃,突然想到仙女座星系和銀河系其實是以每秒高達一百公里的高速互相吸引,大概再過四十億年就會互相撞擊。   這兩個星系在太陽爆炸前十億年就會開始合併。   你難過地大口吸氣,想著人類該如何逃離那場大難,心裡突然出現一股輕鬆感:星系非常巨大,恆星間的距離又那麼遙遠,星系碰撞應該很難使恆星互相撞擊……這樣的風險確實存在,但你現在必須接受它。   在這個階段,經歷哥白尼哲學憂鬱是很正常的。你甚至會開始希望你還活在幾千年前,當時認為地球是平的,同時因為某些顯而易見的原因,人類喜歡認為自己很特別,是宇宙的中心。相信萬物都以我們為中心運行,天使推動著宇宙機械裝置上的神聖轉輪,使恆星和太陽移動,多麼讓人安心啊!波蘭數學家暨天文學家哥白尼究竟為什麼要破壞這一切,宣稱太陽不是繞著地球運行?十七世紀數學家伽利略為什麼要發現木星擁有不環繞地球運行的衛星(同樣也不環繞太陽,因為它們只環繞木星運行)?奧匹克和哈伯為什麼要發現宇宙中有其他星系?都是他們的錯!   這個嘛,除了他們的理論正確之外,如果沒有哥白尼、伽利略和其他許多天文學家,人類將會滅亡,更糟的是我就不可能寫出這本書了。你沒辦法讓思想在虛無的太空中來去,更不可能離開宇宙(等一下你就會這麼做了)。而在你我之間,如果所有隱而未現的美都未能加以發現或探索,更糟的是只能讓其他智慧物種從遙遠的宇宙其他地點觀察,豈不是太可惜了?   同樣地,當我們探討這個主題,而且宇宙可見範圍的遼闊程度開始深植於思想時,其他物種真的存在嗎?漆黑一片的宇宙中有數兆、數十兆個恆星群,其中會不會有某些紅矮星條件類似半人馬座比鄰星,而且擁有自己的行星?會不會有某些有物種居住的星球擁有兩個太陽?會不會有其他地球?   如果說遼闊的宇宙中沒有其他生物,似乎很難讓人相信。一九八五年,美國宇宙學家卡爾.薩根(Carl Sagan)曾經寫道:「如果只有我們,未免太浪費空間了。」然而三十年後,地球人仍然不知道答案。外星生命可能存在仍然令人興奮期待,當然也令人害怕,但現在仍然只是個可能性。然而,這個狀況或許很快就會改變,因為望遠鏡已經發現越來越多星球,我本身也抱持很大的期望。   甚至在人類最混亂黑暗的年代,還曾經有人宣稱宇宙中可能有其他世界,藉以公然反抗宗教權威。義大利天主教修士焦爾達諾.布魯諾(Giordano Bruno)曾經宣揚「宇宙中有無數太陽和地球,所有地球都環繞自己的太陽運行」。後來因為膽敢公開散播如此大逆不道的思想,而於一六○○年在羅馬被活活燒死。他為了這個信念受虐而死。   就我看來,時至今日,即使仍有許多人寧願拒絕接受,也不願面對科學揭露的事實,我們的知識仍然超越任何宗教法庭。我們已經發現可能類似地球的行星,布魯諾等人的先知地位已被證明多次,只不過為時已晚。   人類多年之前已經知道木星或金星等其他行星存在,這的確是事實。但人類直到大約二十年前才首次真正目睹行星環繞太陽以外的恆星運行。一九九五年,米歇爾.麥耶(Michel Mayor)和迪迪埃.奎洛茲(Didier Queloz)兩位瑞士天文學家發現一個巨大的行星環繞距地球約六十光年的恆星運行,並命名為飛馬座51b。   然而麥耶和奎洛茲發現的行星不適合人類居住,因為它距離恆星太近,不過它仍然是行星。他們發現這個行星之後,每個月都會發現數個類似的行星,後來科學家將特別設計的人造衛星送上太空,發現的行星數量更多。NASA於二○○九年發射升空的克卜勒望遠鏡就是其中之一。目前已經發現的行星有六千多個,其中約有兩千個已經確定環繞遙遠的恆星運行,有些甚至是雙星系統(也就是環繞兩個太陽運行),未來一定還會發現許多驚喜。為了區分這些行星和金星或木星等太陽系成員,我們把這些遙遠的行星稱為系外行星(exoplanet)。此外,在兩千多個已確定的系外行星中,大約有十多個可能與地球近似,其中至少有三個,包括於二○一五年確定存在的行星與地球十分相像。二○一五年確定存在的行星稱為克卜勒442b。   當然,這些行星或許都很荒涼貧瘠,但也可能有生物居住。事實上,我認為未來二十年左右應該就能發現外星生物存在的直接或間接徵兆。可能是在這些行星,也可能在某些尚未發現的行星上。在這類遙遠行星的大氣中偵測生物活動徵兆的相關技術已經接近完成。如果能在有生之年得知這些發現就太棒了,對吧?   目前已經發現的系外行星都位於銀河系內,因此距離地球相當近。可能位於其他星系的行星距離太遠,目前的望遠鏡還無法偵測,不過數量應該高達數千億個。   舉例來說,仙女座星系就很可能有許多生物。它是銀河系周圍的星系中最大的一個,而且距離很近。這是就星系的標準而言,而不是人類的標準。如果現在從地球打電話到仙女座星雲的一兆個恆星中的某一個,訊號需要花上兩百五十萬年才能到達目的地。如果真的要跟他們聯絡,我們不僅必須慎選問題,還必須選擇適當的語言。

作者資料

克里斯多福.蓋勒法(Christophe Galfard)

1976年生,法國物理學家,劍橋大學理論物理學博士,2000〜2006年為霍金的研究生,由霍金親自指導,專研黑洞資訊悖論。 目前致力於在法國及歐洲向一般大眾推廣現代科學知識。曾舉辦多場演講,聽眾遍及各個年齡層及知識背景,並且定期為法國的電視台和廣播節目撰稿。 霍金和女兒合著的少年科幻小說《勇闖宇宙首部曲》(George's Secret Key to the Universe)共同作者。另著有《雲王國三部曲》(Le Prince des Nuages),獲頒法國高等教育及研究部「青少年科普類」最佳圖書。

基本資料

作者:克里斯多福.蓋勒法(Christophe Galfard) 譯者:甘錫安 出版社:臉譜 書系:科普漫遊1 出版日期:2016-03-01 ISBN:9789862354933 城邦書號:FQ1036 規格:平裝 / 單色 / 368頁 / 14.8cm×21cm
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