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愛因斯坦的理論問世,讓牛頓學說的世界觀出現裂痕--《科學大歷史》

  • 【科科愛讀書】人類花了數百萬年學習和思考,才從那個連「科學」怎麼寫都還沒一撇的古早時代,到今天能夠運用科技超越肉身的限制,探索小粒子的無窮和大宇宙的廣袤。但是人類的璀璨成就絕非是一蹴可幾,而是建立在無數先人的跌跌撞撞之上,這過程其中也不乏許多學校沒教、卻相當有趣的故事。就讓《科學大歷史》帶你坐上時光機重回科學史萌芽的年代,來一趟精彩的發現之旅吧!

理論物理學令人醉心的一大誘惑,是你的概念有可能對人類的思維、甚至生活方式產生重大的影響。沒錯,瞭解與吸收主題,以及瞭解其技術和議題需要很多年的時間。沒錯,你想破解的許多問題最後都無法解決。沒錯,你的概念絕大部分最後證實是無稽之談,而且很多時候光是極小的貢獻就需要花上好幾個月的時間。

當然,如果你想成為理論物理學家,你的個性最好是固執又執著,而且只要一丁點小發現,一點看似神奇的數學,或是得知在你發表前只有你知道的自然祕密,就足以讓你興奮得要命。不過,這個過程中,總是存在著另一種可能:你想出或碰巧發現一個遠比自然的小祕密還要強大的概念,因此改變了同行或甚至全人類觀看宇宙的方式。愛因斯坦提出的就是那種概念,而且他是在專利局工作的一年間,接連提出了三個概念。

那三個突破性的理論中,最著名的是相對論。愛因斯坦在這方面的研究徹底改變了我們對空間和時間的概念,他證明空間和時間是密切相關的,而且空間和時間的衡量不是絕對的,而是因觀察者的狀態而定。

愛因斯坦突破性的理論中,最著名的是相對論。圖/Flickr

愛因斯坦想以相對論解決的議題,是馬克士威的電磁學理論所衍生的矛盾。根據馬克士威的理論,任何人測量光速都會得到同樣的結果,無論他們自己的速度相對於光源的速度是多少。

我們可以秉著伽利略的精神,運用簡單的「想像實驗」來瞭解為什麼上述說法與我們的日常體驗相互矛盾。想像火車迅速駛過月台時,有一個攤販正好站在月台上。那輛移動的火車上,有個乘客把一顆球(或任何物體)往前拋,攤販會覺得那顆球移動的速度比他自己以同樣勁道拋出的球還快。那是因為從攤販的觀點來看,火車上那顆球移動的速度是乘客的拋速加上火車的速度。但是根據馬克士威的理論,在移動火車上閃動的光速,不會移動得比較快,在攤販和乘客的眼中,那道光移動得一樣快。對於想把一切簡化成原理的物理學家而言,那是說不通的。

橫空出世的相對論,動搖牛頓的物理世界

區別物質的是什麼原理?多年來,物理學家一直在探討這個問題,最熱門的論點主張「光是透過某種尚未偵測到的介質傳播的」,但愛因斯坦抱持不同的看法。他認為,關鍵不在於光傳播的某種未知性質,而是在於我們對速度的瞭解

由於速度是距離除以時間,愛因斯坦推論,假設光速是固定的,馬克士威的理論等於是告訴我們:距離和時間的衡量可以沒有統一的共識。愛因斯坦證明,這世上沒有通用的時鐘或通用的量尺,一切衡量端看觀察者的運動而定-—唯有如此,每個人看到的光速才會一樣。所以,每個人看到與衡量的東西只是個人的觀點罷了,不是每個人都一致認同的現實,這就是愛因斯坦狹義相對論的精髓。

相對論不需要取代牛頓的理論,而是加以修改:牛頓的運動定律必須改變,重新建構在愛因斯坦那個新的空間和時間架構上,測量的結果是取決於一個人的運動。物體和觀察者的相對移動速度比較慢時,愛因斯坦的理論基本上和牛頓理論一樣。但是移動速度接近光速時,相對論的效果就很明顯了。

由於相對論的新奇效果只在極端的情況下顯而易見,它對日常生活的重要性遠不如量子理論(量子理論說明了為什麼構成我們的原子極其穩定),但是當時沒有人知道量子的深遠影響。於此同時,相對論的出現反而像地震一樣撼動了物理學界:牛頓的世界觀已經塑造科學界兩百多年了,他的理論架構在這時出現了第一道裂痕。

牛頓理論的根據是單一客觀的現實。空間和時間形成一個固定架構,世上的活動就在那個舞台上展開。觀察者可以觀賞舞台上的演出,無論他們身在何處或如何移動,都看到同樣的表演,就像上帝從外頭觀看我們所有人那樣。相對論反駁了那種觀點,它主張不是只有一齣表演--在日常生活中,每個人經歷的事實各不相同,端看每個人所處的地方和行動而定。愛因斯坦開始拆解牛頓的世界觀,就像伽利略開始拆解亞里斯多德的世界觀一樣。

在日常生活中,每個人經歷的事實各不相同,端看每個人所處的地方和行動而定。圖/Tuncay @ Flickr

相對論的發表,算是一場革命嗎?

愛因斯坦的研究對物理學的文化有重大的意義:他幫新生代的思想家壯大了膽子,讓他們更容易挑戰舊有的思維。例如,愛因斯坦為高中學生寫了一本談相對論的書,那本書啟發了待會兒我們會談到的維爾納.海森堡(Werner Heisenberg),促使他投入物理學界。愛因斯坦研究相對論的方法也啟發了之後會介紹的尼爾斯.波耳(Niels Bohr),讓他有勇氣想像原子依循的定律可能和日常生活的一切物體截然不同。

諷刺的是,所有吸收與瞭解愛因斯坦相對論的偉大物理學家中,愛因斯坦本人對自己的理論最不重視。在他看來,他不是在主張推翻牛頓世界觀的一大面向,他只是提出一些修正罷了—-那些修正對當時多數的實驗觀察幾乎沒有影響,但重要的是,那些修正改掉了理論邏輯架構的缺陷。而且,為了使牛頓理論和相對論相容,必要的數學改變並不難。所以,即使愛因斯坦後來覺得量子理論拆解了牛頓物理學,套用物理學家兼傳記作家亞伯拉罕.派斯(Abraham Pais)的說法,愛因斯坦「認為相對論根本不是革命」。愛因斯坦覺得,他一九○五年發表的論文中,相對論是最不重要的,另外兩篇有關原子和量子的論文比較重要。

從原子推進到量子

愛因斯坦那篇有關原子的論文是分析所謂的「布朗運動」(Brownian motion),那是一八二七年達爾文的老友羅伯.布朗發現的效應。這裡的「運動」是指微小粒子神祕又隨機的游移,例如花粉裡的微粒在水中懸浮的樣子。愛因斯坦解釋,那是超微分子從四面八方以超高頻率衝擊浮性粒子所致。雖然個別衝擊太細微,無法撼動粒子,但愛因斯坦以統計證明,粒子搖動的幅度和頻率可以用罕見的情況來解釋--亦即在偶然的機會下,衝撞粒子某一面的超微分子遠比衝撞對面的超微分子還多,因此產生足夠的力量,推動了那個粒子。

模擬較大的塵埃粒子(黃點)受到周遭微粒不規則碰撞而產生隨機動態。圖/ Lookang @ wikimedia commons.

那篇論文發表後馬上引起轟動,連最不相信原子的奧斯特瓦爾德在讀了以後都說,他相信原子是真實的。相反的,原子的強力支持者波茲曼不知怎的從未聽過愛因斯坦的研究,也不知道那篇論文帶來的觀念改變。部分原因在於他覺得自己提出的概念始終未受重視,深感沮喪,隔年就自殺身亡了。這實在非常遺憾,因為那篇布朗運動的論文以及一九○六年愛因斯坦發表的另一篇論文,使物理學家終於相信他們看不見、摸不著的原子確實存在。而那些概念就是波茲曼從一八六○年代開始一直提倡的,只不過沒什麼成效。

往後的三十年內,採用新方程式描述原子的科學家,就能解釋化學反應的根本原理--終於可以為道爾頓和門得列夫的概念提出解釋和證明。科學家也開始鑽研牛頓的夢想:以原子之間的作用力為基礎來瞭解物質的性質。到了一九五○年代,科學家又更進一步,以原子知識來深入瞭解生物學。在二十世紀後半葉,原子的理論開始帶來科技革命、電腦革命、資訊革命。原本一開始只是分析花粉粒子的運動,最後卻演變成塑造現代世界的工具。

不過,那些實務運用所依賴的定律,以及描述原子性質的方程式,都不是來自牛頓的古典物理學,甚至不是來自經過相對論修訂的版本。想要描述原子需要新的自然定律—-量子定律-—而愛因斯坦一九○五年發表的另一篇革命性論文就是談量子的概念。


 

 

本文摘自《科學大歷史:人類從走出叢林到探索宇宙, 從學會問「為什麼」到破解自然定律的心智大躍進》漫遊者文化出版。

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