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科學與宗教一定相互衝突嗎?—《愛因斯坦自選集》

愛因斯坦
・2016/11/08 ・5228字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

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  • 本文第一部分於 1939 年 5 月 19 日發表於普林斯頓神學院,收錄在 1950 年《晚年文集》。

在十八世紀末葉與十九世紀,普遍認為知識和信仰之間有無法妥協的衝突。在先進之士的心中流行一派見解,主張應該是由知識逐漸取代信仰的時候了,未以知識為根據的信仰稱為「迷信」,必須加以反對。根據這派主張,教育唯一的功能是開拓思考與知識的道路,而學校是民眾受教育最主要的機關,應當專門為此而設。

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未以知識為根據的信仰稱為「迷信」,必須加以反對。根據這派主張,教育唯一的功能是開拓思考與知識的道路,而學校是民眾受教育最主要的機關。圖 / By barnyz@flickr

在這種粗糙包裝中,理性的成分幾希。因為任何明智的人,可以立刻看出這派觀點的立場過於偏頗。但是,如果要將事情本質搞清楚的話,赤裸直爽也有它的好處。

沒錯,信念最好受到經驗與清楚的思考支持。在這點上,我們應該全然同意極端的理性主義者。然而,其缺點在於對於人類的行為和判斷為關鍵必要的「信念」,無法只用這種硬邦邦的科學方式找到

因為,科學方法只能告訴我們事實之間的相互關係影響,超出之外的沒辦法。對於客觀事實的求知慾屬於人類最高層次的能力,你當然不會懷疑我想要貶低人類這方面的成就和努力。但是同樣清楚地是,知識不會指導我們「應當」怎麼做;一個人可以對於事物擁有最清楚完整的知識,但卻不能導出什麼才是人類「應當」追求的目標。客觀的知識提供我們達成目標的有力工具,但是終極目標以及實現該目標的渴望必須有另外的來源。唯有設訂目標與對應價值後,人類的生存與作為才會獲得意義,這點應該不證自明。

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獲得真理真是美妙無窮,然而卻極少能作為引導,甚至不能證明我們對真理的渴望與追尋是正當且有價值的。因此,在這方面純理性概念出現根本的限制。

但是,我們也不該認定理智思考對於立定目標與道德判斷上不具作用。當我們了解到為了達成一項目的,某些手段將會有用時,手段本身也變成一種目的。理智讓我們認清楚手段和目的之間的相互關係,但是僅憑思考,無法讓我們掌握到終極與根本的目標。在我看來,讓這些基本目標與價值清楚浮現,並快速融入個人的感情裡,正是宗教對人類的社會生活提供最重要的功能。

如果有人問,為何這些基本目標具有正當性?既然無法僅憑理性來陳述證明,我們只能回答說:在一個健康的社會裡,這些基本目標是強大的傳統,它們作用在個體的行為、志向和判斷上;這些基本目標是有生命力的存在,不必為其存在尋求正當性。這些基本目標不是樣品展示般的存在,不是透過強大的人格特質為介質而彰顯。我們不該強加證明,而是簡單明確地感受它們。

我們的志向和判斷的最高原則源自於猶太/基督教傳統。這是非常崇高的目標,憑我們微薄的能力,所能達到的非常有限,但是卻為我們的目標和價值觀提供確實的基礎。若是將其目標從宗教形式中抽離出來,僅看其純粹人性的一面,或許可以表述如下:

賦予個人自由與負責任發展的空間,才能讓他自由快活地運用一己之力,服務全人類

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我們的志向和判斷的最高原則源自於猶太╱基督教傳統。圖 / By tdjgordon @ pixabay

在這裡,不容將國家或某個階級奉為神聖,更不能將個人奉為神聖。正如同用宗教的話說:我們所有人不都是天父的孩子嗎?的確,縱使將人類當成一個抽象的整體而奉為神聖,也不符合該理想的精神。只有個人才有靈魂,而個人崇高的天命是服務而非統治,或是以任何方式強迫別人信仰自己。

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如果取其實質而非形式,也可以將這些話用來闡述基本的民主立場。真正的民主人士就像我們所謂真正有信仰的人士一樣,是不會崇拜國家的。

那麼,在這方面教育和學校的功能何在呢?我認為應該幫助年輕人培養一種精神,讓這些基本原則對他來說如同呼吸的空氣;僅憑教導,顯然不足。

若是仔細看待這些崇高的原則,並將其與我們這個時代的生活與精神相比較,會明顯發現現代文明人類正處於危急當中。在極權統治的國家,統治者無所不用其極,殘害這種人本精神。在情況稍輕的地方,則是民族主義當道、嚴苛不講寬容。用經濟手段壓迫個人的國家,也對這些最珍貴的傳統威脅扼殺。

不過有識之士之間,已經意識到巨大的危險正在蔓延,力求在國內與國際政治領域、立法與一般組織範疇上尋找因應之道。毫無疑問,我們極需這樣的努力。然而,我們似乎忘記古人知道的一件事,那就是

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如果缺乏昂揚振奮的精神,一切方法終究不過是虛有其表的工具。如果我們心中渴望達成目標的動力夠強大,那麼就不會缺乏尋找達成目標的方法,並且化為行動。

  • 第二部分出自於「科學、哲學、宗教與民主生活方式關係會議」,1941 年由紐約出版成文集《科學、哲學和宗教研討會》。

我們所了解的「科學」是什麼,並不難達成共識。科學是我們長久以來企圖以系統化思考,努力將這個世界可感知的現象盡可能徹底連繫起來。大致說來,就是用「概念化」的過程,嘗試將事物的存在進行後驗重建(posterior reconstruction)。但是當我問自己「宗教」是什麼時,就無法輕易作答了。縱使我當下找到一個滿意的答案,我還是覺得無論如何,都無法涵蓋曾經深思過這個問題的人們所提出的各種想法。

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因此,在探討「宗教是什麼」之前,我想先問那些在我看來虔敬的信徒究竟有怎麼樣的心理特徵?

我認為,一個受到宗教啟發的人會盡最大的努力讓自己從私慾羈絆中解放出來,腦海中充滿著思想、感情和抱負,為這些超越個人的價值而奮鬥不懈。我覺得,重要的是這份超越個人內涵的力量,以及對它深遠意義的堅定信念,而不在於是否企圖將這份內涵與某個神祇結合,否則釋迦牟尼與斯賓諾莎就不算是宗教人物了。因此,一個有信仰的人士之所以虔誠,是指他深信超越個人的目標之崇高與重要,這些目標不需要、也不可能具有理性基礎,但是其存在如同個人存在般是必然與實在的。在這層意義上,宗教是人類長久以來的努力,想要清楚完整地掌握這些價值與目標,並不斷加強擴大其影響。若是根據這些定義來看待宗教與科學,那麼兩者之間似乎不會有衝突。因為,科學只能確定「是什麼」,而非「應該是什麼」。在科學的範疇之外,仍然必須對各種判斷進行評價。另一方面,宗教只涉及人類思考行為的評價,無法指明事實之間的關係。因此,過去以來大家所謂的宗教和科學衝突,應該說是對上述情況的錯誤理解。

反過來說,若宗教團體堅持《聖經》上一切記載都是絕對的真理時,就會發生衝突,因為這意謂宗教介入科學範疇,教會針對伽俐略和達爾文學說進行迫害就屬這種情況。另一方面,科學界的代表人物經常根據科學方法,針對價值與目的做出根本的判斷,這樣就與宗教發生對立,這些衝突都是源自於致命的錯誤。

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若宗教團體堅持《聖經》上一切記載都是絕對的真理時,就會發生衝突,因為這意謂宗教介入科學範疇,教會針對伽俐略和達爾文學說進行迫害就屬這種情況。伽俐略。圖 / By Justus Sustermans@Wiki

現在,縱使宗教和科學領域涇渭分明,兩者之間仍然存在牢固的依存關係。雖然宗教可以決定目標,但是從最廣義來說,宗教還是從科學中學到哪些方法可以促成目標的達成。另一方面,只有全心渴望追求真理與知識的人們才能創造科學,然而這種感覺卻是從宗教範疇湧然而生。這裡也有信仰的成分存在,即相信世間的法則是合乎理性的,也就是可以由理性來理解。我無法想像一個真正科學家不具這種深刻真摯的信仰。這種情況可以打一個比喻來形容:

科學沒有宗教是跛足的,宗教沒有科學則是盲目的

雖然我在上面斷言,宗教和科學情懷實際上不存在衝突,但是我必須在一個重要的地方加以保留,這裡涉及歷史上宗教的真實內涵。此處的保留與「上帝」的概念有關,在人類精神進化的初期,人類以自己的形象想像創造上帝,認為其意志運作會決定或影響到表象世界。人類企求改變神明的意向,藉由巫術或祈禱的方式,希望一切對自己有利。現代宗教教義中的上帝概念,就是將古老神祇的概念予以升華,例如,人類向神明祈求實現願望,就是擬人化特性的表現。

當然,想像有一個萬能、公正、仁慈與人格化的上帝存在,無疑能夠為人們帶來安慰、幫助和指引;再者,這個簡單的概念有一個好處,讓大多數智慧未開的民眾也容易接受。但是,另一方面,這種概念本身也具有關鍵弱點,而且自古以來便讓人痛苦不安,那就是如果神是無所不能的,每件事情包括每個人的行動想法與感覺抱負等,也都是神的工作,那麼在萬能的神面前,如何期待人要為自己的行為思想負責呢?因而,在施予獎賞處罰時,神多少都變成要獎懲自己,那麼這如何符合祂具有的仁慈公正呢?

今天宗教和科學領域的衝突,主要來源在於「擬人化上帝」的概念。科學目的在於建立通則,決定物體和事件在時間和空間中的相互關係。對於這些自然規則或定律,絕對普適性是必要的,儘管它不能被證明。這主要是一種計畫,嚴格來說這種計畫能否實現,目前只建立在部分成功的基礎上。但是,幾乎沒有人會否定這些部分成功的真實性,而聲稱這是自我欺騙的結果。基於這些自然法則,我們能夠精準預測一定範圍內隨時間的現象變化,縱使大眾對於這些法則的內容所知極為有限,但也深植在現代人的意識裡。只要想想看,以幾道有限的簡單法則,便能對太陽系的行星軌道預做精準的運算。同樣地,雖然沒有那麼精準,但還是可能事先算出電動馬達、傳輸系統或無線裝置的運作方式,甚至是處理更新奇的事物也一樣成功。

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今天宗教和科學領域的衝突,主要來源在於「擬人化上帝」的概念。圖 / By Cima da Conegliano@Wiki

當然,當一個複雜的現象牽涉過多的因素時,大多數時候科學就沒有辦法了。以天氣為例,縱使要提早幾天預測都不可能。然而,沒有人懷疑我們面對的是一種因果關係,且起因成分多為已知。這個領域的現象之所以超出準確預測的範圍之外,是因為各種作用因子龐雜,而不是自然缺乏秩序的緣故。

對於生物範疇的法則,我們的考察洞悉不算深入,但是仍然足以讓我們感覺到必然性的支配,例如遺傳的規律有序,以及毒物(如酒精)對有機體行為的作用。這裡欠缺的仍然是對通則關連掌握,而不是對秩序本身的認識。

一個人若越相信一切事物皆規律有序(ordered regularity),便會更加堅信這種有秩序的規律就是全部,不再有空間留給本質不同的因素作為事物的起因。對他而言,無論是人的支配或神的支配,都不是自然事件的獨立起因。當然在現實中,對於人格化上帝會干涉自然事件的教義,科學永遠無法完全駁倒,因為這種教義總是能夠躲進科學知識尚未能涉足的領域裡。

但是我相信,部分宗教人士這樣的行為不僅不值得,同時也是錯誤的。因為無法光明正大,只能躲在黑暗裡生存的教義,會對人類進步造成數不清的傷害,必定會失去對人類的影響力。為了美好的道德而奮戰,宗教導師應當有魄力放棄人格化上帝的教義,也就是放棄恐懼與企盼的源頭,雖然這在過去給予神職人員莫大的權力。他們應該努力孕育人性中的真善美。確實,這是更困難的任務,但是絕對更有價值。 在宗教導師修練與精進自身之後,他們肯定會快樂體認到:透過科學知識,真正的宗教已提升境界,變得更崇高深奧

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如果宗教的目標之一,是盡力讓全人類從自私自利與害怕恐懼中解脫束縳,那麼科學知識還可以在另一方面幫助宗教。固然科學的目標在於發現通則,提供事實的關連與預測,但這並非唯一的目標。科學也要設法將發現的各種關連性,簡化成數目最少的獨立概念元素。我認為,科學在努力以理性統整事物表象中,獲得了最大的成就,但是這種企圖也讓科學面臨最大的風險,容易淪為妄想錯覺的犧牲者。不過,凡是對科學進步成功有深刻體會者,會對自然孕育彰顯的恢弘理性感到無比崇敬與感動,領悟到其深沉內蘊是凡人難及,因而心生謙卑,讓自己超脫於個人慾求束縛之外。然而,從最高的意義來說,我認為這種態度就是宗教的態度;科學不僅滌清宗教擬人化的糟粕,也讓我們對生命的認識達到宗教的精神境界。

在我看來,當人類精神越見進步時,便越能肯定會通往一條真正宗教的道路,它不是因為恐懼生命、恐懼死亡與盲目信仰造成的,而是出於對理性知識的追求。就這層意義而言,我認為教士若想對得起自己崇高的教育使命,一定要當一名導師指引眾人。


愛因斯坦自選集 正封

 

 

本文摘自《愛因斯坦自選集:對於這個世界,我這樣想》,麥田出版。

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愛因斯坦
3 篇文章 ・ 3 位粉絲
我是一個猶太裔物理學家,1879年出生於德國南部。主要研究光電效應、狹義相對論、廣義相對論,於1921年因光電效應的研究獲得諾貝爾物理學獎。著有《我所見的世界》、《晚年文集》、《我的世界觀》及《愛因斯坦自選集》。

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愛因斯坦的光速魔術
賴昭正_96
・2024/10/05 ・7055字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

起初神創造了天地。大地空虛混沌; 深淵的表面一片黑暗;神的靈運行在水面上。神說,「讓它有光」,於是就有了光。 神看見光是好的;神將光明與黑暗分開。 -創世紀 1:3

1905 年愛因斯坦在題為「關於運動物體的電動力學」(On the Electrodynamics of Moving Bodies)的論文引言裡謂:

我們建議將「相對性原理」這個猜想(conjecture)提升到一個公設(postulate)的地位,並引入另一個表面上與它不調和(irreconcilable)的公設,即光在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值 c。這兩個假設足以(讓我們)透過適用於靜止物體(狀態)之馬克斯威(James Maxwell)理論,導出一個簡單且不矛盾(consistent)的電動力學理論。

愛因斯坦真大膽:一個可以用實驗來確定的光速,怎麼可以定為「公設」呢?光速與發射體運動狀態無關不是完全違反了我們日常生活的經驗(如聲速)嗎?

更令人難以相信的是:當時的物理與天文學家因為馬克斯威方程式(Maxwell Equation)的成功,都認為空間充滿了絕對靜止的「以太」,「光速為定值」僅是相對於這一固定的「以太」而言;而愛因斯坦竟初生之犢不畏虎,開宗明義地謂不要爭辯了,我們將光在真空中的速度「公訂」為與發射體運動狀態無關的定值 c!幸運地,在「立即引起了我的熱烈關注」下,當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克(Max Planck)立即在柏林大學開始講授相對論,並公開為愛因斯坦的抽象概念理論辯護!由於普朗克的影響,這篇愛因斯坦根本沒想到是「革命性的」、完全改變牛頓之時空觀念的論文終於與量子力學一起開創了近代物理學。

當然,我們現在知道實驗上已經證明了這一「公設」的正確性;愛因斯坦怎麼那麼「神」呢?

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愛因斯坦以大膽創新思維,突破常規,開創物理學新紀元。 圖/wikimedia

「光」逐流

第二次世界大戰結束後不久,愛因斯坦受邀在「在世哲學家圖書館」(Library of Living Philosophers)撰寫一篇知識分子自傳(註一)。在該《自傳筆記》(Autobiographical Notes)裡,愛因斯坦開張寫道:「我坐在這裡是為了在 67 歲時寫一些類似於我自己之訃文的東西」,然後以無與倫比的溫暖和清晰解釋了他的思想路徑:從年輕時對幾何的興趣,轉向馬克斯威、馬赫(Ernst Mach)、和波爾(Niels Bohr)等哲學、科學家對他自己之理論發展的影響。此書是愛因斯坦留給我們的唯一個人自傳筆記,為科學史上的一部經典著作。

在講述導致狹義相對論的發展時,愛因斯坦在《自傳筆記》中回憶道:

…..我在十六歲時就已經遇到了一個悖論:如果我以速度c(真空中的光速)追逐上一束光,我應該觀察到其電磁場將是靜止不前進,只是在空間上振盪而已。然而,無論是根據經驗,還是根據馬克斯威方程組,這現象似乎不存在。(因此)從一開始,我就直覺地清楚看到,從這樣一個觀察者的角度來看,一切都必須按照與相對於地球靜止的觀察者相同的定律發生。第一個觀察者如何知道或能夠確定他處於一快速、等速的運動狀態?從這個悖論中可以看出,狹義相對論的種子已經包含在內。

愛因斯坦如何解決這悖論呢?

一場風暴

愛因斯坦在瑞士專利局任職時,經常與「奧林匹亞學院」(Olympia Academy)的成員討論光速之謎。1905 年 5 月中旬,他突然想到光速之謎的答案就隱藏在用於測量時間的程序中,他回憶說:「我的腦海中掀起了一場風暴」。隔天一大早碰到一位工程師同事就迫不及待地告訴說:「我已經徹底解決了這個問題。對時間概念的分析是我的解決方案:時間不能是絕對的,時間和訊號速度之間存在著密不可分的關係。」

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在風暴中,愛因斯坦匆匆忙忙地在數週內完成了那革命性的狹義相對論論文。在此讓我們看看為什麼他認為「時間和訊號速度之間存在著密不可分的關係」。

愛因斯坦同步程序

要測量光速,必須讓光訊號在已知距離內從一個位置跑到另一個位置,然後透過起點和終點的時鐘讀數之差異來確定傳播時間。因此用於測量傳播時間的時鐘必須同步,否則它們之讀數差異將毫無意義。可是我們卻需要利用光速來同步化兩個不同地方之時鐘,這顯然是「雞生蛋、蛋生雞」的循環邏輯問題。

愛因斯坦的風暴就是他終於想出了可以避免循環邏輯的同步化假想實驗:在 tA 時從 A 發出一道光線,當它在 tB 到達 B 時立刻讓它反射回去,於 t’A 時到達 A;如果

則我們稱 A、B 兩地的時鐘精確地同步化了。例如 A 在 1:00 發出光信號,1:10 收到反射回來的光信號,如果 B 收到光信號的時刻是 1:05(或者將它調到 1:05),那麼 A、B 兩地的時鐘便是同步。今天的物理學家將此方法稱為「愛因斯坦同步程序」( Einstein Synchronization Procedure )。

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光速定值的「公

愛因斯坦接著說:「另外,根據經驗,我們進一步要求

為普適常數(真空中的光速)。」這是根據經驗計算光在兩點間之平均速度的方法,毫不起眼,但卻隱藏著一個非常不尋常的「陰謀」?

邏輯告訴我們:如果我們用另一毫不起眼的 tB 定義去測單方向的光速(A 到 B或 B 到 A),其值一定是 c ( 註二 )!因此愛因斯坦說:「…我們根據定義確定,光從 A 傳播到 B 所需的時間等於光從 B 傳播到 A 所需的時間。」也就是說愛因斯坦在這裡從「平均速度」及「愛因斯坦同步程序」的定義,魔術般地導入了他的公設:光在任何方向的速度都是一樣的 c 值!

為什麼這是個「陰謀」呢?在愛因斯坦的假想實驗中,我們既然不需要知道光的速度,為什麼不用聲音呢?答案很簡單:因為我們知道聲速會受到 A、B 兩點與空氣之相對速度的影響;如果風從 A 吹到 B,那麼 B 收到聲音的時間將比愛因斯坦之 tB 早! 可是那時候幾乎所有的物理學家都相信光是在「乙太」中傳播的(見後),愛因斯坦怎麼知道光速不會受到 A、B 兩點與「乙太」之相對速度的影響?

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愛因斯坦透過同步程序巧妙定義光速,避開了「乙太」的影響。圖/wikimedia

歷史上最「失敗」的實驗

在「近代物理的先驅:馬克斯威」裡,筆者提到曾被評選為有史以來第三大物理學家馬克斯威用簡潔數學方程式━「馬克斯威方程式」━闡釋了當時已知的電磁現象。1865 年,馬克斯威透過其方程式導出電磁波的存在,並證明光事實上就是一種電磁波!光既然是一種波動,那像水波及聲波一樣應該有傳播的媒體(介質),物理學家開始尋找這一稱為「乙太」的媒體,並測試地球在這一媒體中的運動狀態。

這些實驗中最有名的是後來被稱為歷史上最「失敗」的實驗:1887 年,邁克爾森(Albert Michelson)與莫利(Edward Morley)用光干涉儀測量地球與乙太的相對運動速率。邁克爾遜和莫利預計會發現:分道揚鑣的兩道光束在不同時間回到探測器,從而可以計算出地球在乙太中的運動速度。但他們非常失望地發現:無論光向哪個方向傳播,它總是以相同的速度移動,因此下結論説:如果乙太存在,地球與乙太的相對運動速率為零!他們認為這有兩種可能的解釋:(1) 在地球表面之乙太被地球拖著走;或 (2) 根本沒有乙太(參見「乙太存在與否的爭辯」)。但更簡單的解釋應該就是愛因斯坦的不要爭辯「公設」;可是誰敢提出這種違反常識的論調呢?或許只有當時還是默默無聞的瑞士專利局小職員吧?

可是愛因斯坦回憶說:「在我自己的發展中,邁克爾遜的結果並沒有(對我)產生很大的影響。我甚至不記得當我寫第一篇關於這個主題的論文時(1905 年),我是否知道它。」然而愛因斯坦也在許多場合中曾經反覆使用「可忽略不計」、「間接」、「非決定性」等詞彙來形容邁克爾遜實驗對他思想的影響…。看來「愛因斯坦當時是否知道邁克爾遜實驗結果」這個問題將永遠是個懸案。但可以肯定的似乎是:即使愛因斯坦知道邁克爾遜的結果,它對愛因斯坦理論的起源貢獻應該是非常小和間接的,絕對不是他發現相對論的主要推動因素。

事實上前面提到:愛因斯坦根本可以不需要知道,因為在他的時鐘同步程序下,光速一定是定值,與實驗結果或「乙太」是否存在無關。相反地,如果愛因斯坦清楚不用時鐘同步化的邁克爾遜-莫利實驗,那風暴可能就不會產生了!

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時鐘同步化與光速無關

測量單方向光速實際上並不需要同步化的兩個時鐘(即沒有循環論證的問題)。例如 A、B 兩地皆在赤道上,A 在 1:00 發出光信號,B 在收到光信號後等 12 小時再發射回去,如果 A 在收到 B 光信號的時間是 13:04,那麼因為地球 24 小時自轉一次的關係,AB 距離除以 0.02 便是光單方向(相對於宇宙)的速度。在這一個實驗中,A、B 兩地的時鐘根本不必要同步化,只要它們的精確度是一樣就可以了。

人類早在 18 世紀初就已經知道如何製造相當精確及穩定的時鐘:哈里森(John Harrison)是英國的一名木匠,自學了鐘錶製作;在 1720 年代中期,他設計了一系列卓越的精密長殼時鐘,其精確度已經高達一個月僅差一秒(註三)。我們可以將兩個 Harrison-IV 時鐘在 A 處校正,然後慢慢(原則上無限地慢)將其中一個移到它處,不但可以用它來同步化這些地點的時鐘,還可以用來直接測量單方向的光速。

還有,首次確鑿證明地球在動的布拉德利(James Bradley)早在 1729 年就已經透過「星光像差」(stellar aberration)測得高達 0.4% 精確度的光速;而發明「傅科擺」(Foucault pendulum)來證明地球在自轉的傅科(Léon Foucault)則在1862年透過旋轉鏡與單鐘測得 0.6% 精確度的光速。

馬克斯威方程式也告訴我們,不需要使用任何時鐘,透過測量自由空間的磁導率和介電常數即可間接計算光速,完全避開愛因斯坦的循環論證邏輯。事實上馬克斯威 1865 年就是用這兩個實驗數據計算出電磁波的傳播速度為每秒鐘 310740000 公尺,接近當時光速的(傅科)實驗值。馬克斯威認為這不會是巧合,謂:「我們幾乎無法避免這樣的結論:光存在於同一介質的橫向波動中,這是電和磁現象的原因」,因此他預測光是一種電磁波。

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上面這些說明了 20 世紀黎明前,科學家就已經知道了:時間(校時)和訊號速度之間並不存在著密不可分的關係。事實上愛因斯坦更應該知道,因為當他被問到是否站在牛頓的肩膀上時,他回答說:「不,是站在馬克斯威的肩膀上!」所以不知道愛因斯坦是否故意沒想到這些,以便透過陰謀來創造相對論?在今天,愛因斯坦那篇沒有任何參考資料的相對論論文是不可能被接受發表的!

愛因斯坦的規定

在愛因斯坦同步程序下,無論光的實際速度是多少,光速測量起來總是定值 c。難道愛因斯坦不知道這「魔術」充滿了漏洞嗎?一個可能的解釋是 19 世紀末電報線和鐵路將整個歐洲連接成一個巨大的網絡,為了以確保訊息、乘客、和貨物的順利流動,同步時鐘是非常實際的考慮;愛因斯坦是專利局電訊操作設備的技術專家,負責審查時鐘同步的網路電磁設備之專利申請,因此他一定在思考時鐘同步問題,加上經年累月地為光速所困,似乎很自然地便往這牛角尖裡鑽。

愛因斯坦或許因長期研究時鐘同步問題,導致忽視光速測量的漏洞。圖/wikimedia

我們知道魔術是騙人耳目與大腦的,不能用在科學上。光速是可以量的,怎麼可以根據定義確定(光從 A 傳播到 B 所需的時間等於光從 B 傳播到 A 所需的時間)?因此在其 1916 年之科普《相對論:狹義理論與廣義理論》一書中,愛因斯坦辯說:「(假設 M 在 A、B 兩處之正中間)實際上光需要相同的時間穿過路徑 AM 和穿過路徑 BM,這既不是關於光之物理性質的假設(supposition)、也不是假說(hypothesis,註四),而是我可以根據自己的自由意志做出的規定(stipulation),以便得出同時性的定義(註五)」。換句話說,愛因斯坦認為光速恆定是一種「規定」,與物理無關,無需解釋其真偽(註六)。且聽「創相對論紀 1:3」道來:

19 世紀中旬馬克斯威創造了馬克斯威方程式。大地充滿了乙太;深淵的裡面測不出地球的運動;愛因斯坦的靈運行在其中。愛因斯坦說,「讓光速為定值」,於是光就依定值傳播。愛因斯坦看見定速是好的;愛因斯坦將定速與乙太分開。

圖/作者提供

結論

從上面的分析看來,愛因斯坦這「光速為定值的規定」似乎是建基於錯誤的認知上,所以顯然愛因斯坦其實沒有那麼神

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開玩笑的,事實上愛因斯坦是筆者佩服的極少數科學家之一!在「思考別人沒有想到的東西──誰發現量子力學?」一文裡,筆者指出:當普朗克還一直在努力地想讓他的量子解釋能容於古典力學時,愛因斯坦已認識到量子不連續性是普朗克黑體輻射理論的重要組成部分!也只有愛因斯坦能看出波思(Satyendra Bose)一篇被英國名物理雜誌退稿、題為「普朗克定律及光量子的假設」的重要性,開創了量子統計力學!更奇怪的是:他被證明是錯的「EPR 悖論(EPR Paradox)」竟推動了許多如量子密碼學、量子計算機、量子資訊理論、量子遠程傳送等的研究;而他自認是一生中最大錯誤的「宇宙論常數」則成為研究近代宇宙的主要工具。……因此筆者總覺得愛因斯坦雖然像常人一樣犯錯,但對物理卻具有一般人所沒有的第六感!或許愛因斯坦心裡早就預感光速應該是定值(註七),其同步程序只是設計出來「證明」光速恆定的妙計?

雖然以卓越教學而備受讚賞的慕尼黑大學理論物理學教授薩默費爾德 ( Arnold Summerfeld ) 曾於 1907 年對愛因斯坦的公設提出「微辭」,但現在物理學家從未公開批評該相對論公設,只是默默地屏棄此一公設,改採將光速恆定作為可以實驗驗證的物理定律(經驗基礎):光速恆定不是規定,而是根基於實驗的自然界基本定律。

如果光相對於愛因斯坦的速度永遠為c, 那麼他將永遠無法隨「光」逐流看到光駐波,愛因斯坦不但終於解決了他16歲時所迷惑的悖論,還開創了相對論!

註釋

(註一)《世哲學家圖書館》系列的第七卷(Paul Arthur Schilpp編輯,美國紐約市 MJF Books 出版,2001 年元月一日重印版)。單行本:《阿爾伯特·愛因斯坦:哲學家-科學家》(Albert Einstein: Philosopher-Scientist;Open Court,3rd edition,December 30, 1998)。

(註二)筆者讀過多次愛因斯坦同步程序,從沒想到被騙;視而不思,真是書呆子一個!

(註三)2023 年初可攜帶型的商業原子鐘精確度高達 10-11%。

(註四)大英百科全書:科學假設是對自然界中觀察到的現像或一組狹窄現象提出初步解釋的想法。

(註五)參見『不用數學就可以解釋──相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」』。

(註六)這種不顧物理的隨心所欲「規定」使筆者想到了波爾於 1913 年提出的:「電子雖然如行星繞日,但它的軌道卻不能隨便,而必須適合一個新的條件,即量子條件(quantum condition)。在這種軌道條件下的電子是穩定的,它可不服從電磁理論,因此也就不須放射出電磁波。」波爾輕而易舉地用「規定」的方法解決了拉塞福 ( Rutherford ) 原子模型與電磁理論的衝突(參見「原子的構造」)。當然,波爾原子模型的成就不只解決這衝突而已,它事實上解釋了當時存在的部份光譜問題,推動了新力學的迅速發展。同樣地,愛因斯坦的規定不只提出了「同時」是相對的觀念,還開創出一個新的力學。

(註七)用兩個簡單的公設就可推導出當時已知的洛倫茲轉換方程式(Lorentz transformation)、時間膨脹(time dilation)、洛倫茲—傅玆久拉空間收縮(Lorentz-FitzGerald contraction )等公式,這絕對不可能是一個巧合。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪,IBM顧問研究化學家退休 。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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時間與空間的顛覆!如何用簡單的方式了解「相對論」?——《物理角色圖鑑》
azothbooks_96
・2024/09/16 ・2086字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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時間不再絕對?牛頓與愛因斯坦的時間觀差異

川村老師,請用簡單的方式告訴我「相對論」是什麼?

圖/《物理角色圖鑑》

老師:狹義相對論源自相對性原理(Principle of relativity,指物理定律〔Physical law〕適用於所有以等速直線運動的物體) 與光速恆定原理。根據這個理論,時間是相對的,依不同觀察者而有所差異。牛頓力學中的時間是絕對的,愛因斯坦則認為,可依不同的觀察者位置對時間進行不同定義。

圖/《物理角色圖鑑》

老師:之前在討論「力」時,也提過離心力。離心力是「慣性力」的一種,慣性力指物體在加速運動時感受到的與加速方向相反的力。置身在沒有窗戶的電梯中,當電梯向上加速,電梯內的人會受到向下的慣性力(譯注:因看不到外面,使得他無法判斷電梯的運動情況)。若加速度為 g,物體質量為 m,則物體所受慣性力為 mg,與在地面所受的重力 mg 相同。愛因斯坦無法區別這兩種 mg 的差異,所以視為等效。但無論慣性力的方向為何,物體都會往向量合成後的視重力場方向掉落。

時間在任何地方都固定不變嗎?

世界上最快的速度是光速。物體的移動速度若接近光速,它的時間進程就會變慢。也就是說,在接近光速的太空船上,時間會變得悠長。而且,接近光速的物體長度會朝行進方向收縮。

物體只要具有質量,即使在靜止狀態依然擁有能量(其能量 E mc2,稱為靜止能量(Rest energy)。

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提到光的運動,我們已經知道光的路徑會彎曲。

1919 年,天文學家觀測到恆星發出的光線在經過太陽附近時被偏折,這種現象稱為「重力透鏡效應」(Gravitational lens),有助於了解黑洞等宇宙中質量分布的情況。此外,天體物理學家也觀測到時間的延遲。簡而言之,接近地面的時鐘行進速度會比高處的時鐘慢,GPS 也是依據這種效應來進行校正。

圖/《物理角色圖鑑》
圖/《物理角色圖鑑》

時間

牛頓力學中的「時間」(也就是我們一般理解的時間)和相對論中的時間大異其趣。牛頓在《自然哲學的數學原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,1687)中,假設空間是均勻平坦的;從過去到未來,在任何地方都平均延伸。在牛頓力學中,全宇宙的時間一致。

但相對論否定了這一點。

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圖/《物理角色圖鑑》

光速恆定原理指出,光的速度是固定不變的。這種狀況下,空間中不同地點發生的兩件事,對某個觀測者來說是同時發生,但對另一參考系的觀測者而言則非同時發生。也就是說,時間的前進速度並非在任何地方都相同。因此,時間和空間不能視為各自獨立的兩回事,應該一體化,視為四維空間(時空,Spacetime)。

不過,這是指物體移動速度接近光速時的情況。日常生活中,使用過去的時間觀不會有任何問題。

黑洞

黑洞(Black hole)是一種天體,因為密度極高,重力極強, 不只物質,連光都會被吸進去,無法逃逸。天體是宇宙中所有物體的總稱,具體來說,指太陽、恆星、行星、星團、星雲等。從相對論來看,黑洞周圍空間是扭曲的。照以下方式想像應該會比較容易理解:

把重物放在一大塊展開的薄橡皮布上,放置處就會凹下去,而這塊凹陷會影響到周圍。同樣的,黑洞所在之處會發生猛烈的空間扭曲,經過附近的天體會被極強的重力吸引,落入其中,連光也難逃魔掌。

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銀河系有許多黑洞,但具體數字不詳。2019 年,一個跨國研究計畫團隊首次拍攝到黑洞的「影子」,掀起一陣討論熱潮。

——本文摘自《物理角色圖鑑:用35個萌角色掌握最重要的物理觀念,秒懂生活中的科普知識》,2024 年 9 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

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azothbooks_96
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物理學四大神獸「薛丁格的貓」,其實是在嘲諷量子力學?物理學家對波函數機率詮釋的爭辯
PanSci_96
・2024/07/27 ・2152字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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在上一篇,我們探討了德布羅意提出物質波的概念,指出微觀粒子如電子也具有波的特性,這一點已被實驗所證實。

延伸閱讀:量子革命的開端——物質波的發現

然而,故事並未因此結束。隨著相關研究的深入,物理學家對物質波的啟示展開了激烈辯論。一些在量子力學發展初期做出卓越貢獻的物理學家並不認同量子理論的主流觀點,甚至提出了薛丁格的貓這一思想實驗,愛因斯坦也曾言道:「上帝不會擲骰子。」

究竟,發生了什麼事情呢?

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從確定性到不確定性

在 20 世紀以前,古典物理學基於決定論,認為掌握某一時刻系統中所有物體的狀態,就能根據物理定律預測系統未來的演變。比如,當一顆蘋果從樹上掉下,我們可以根據物理法則計算出它掉到地面的時間和速度。

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然而,量子力學的觀點則不同,認為量子系統的行為無法完全確定,只能用機率描述。這一觀點源自德布羅意提出的物質波概念。

1926 年,奧地利物理學家薛丁格發表了薛丁格方程式,用來描述物質波的波函數。他成功地用該方程式解釋了氫原子的光譜能量,開啟了量子力學的新篇章。然而,波函數的物理意義一度難以被理解。

幾個月後,德國物理學家玻恩提出了波函數的機率詮釋,認為波函數與量子系統的狀態機率有關。當我們測量量子系統時,系統可能呈現不同狀態,其機率由波函數決定。這一觀點對當時的物理學界造成了巨大衝擊。

決定論的終結?波函數的機率詮釋與衝擊

玻恩的機率詮釋表明量子系統在測量後呈現的狀態無法事先確定,只能了解系統可能狀態的機率大小。這種理解框架革命性地挑戰了決定論的世界觀,部分物理學家因此感到不滿。德布羅意和薛丁格對此持保留態度,而愛因斯坦則認為量子力學還不夠完備,堅信「上帝不會擲骰子」。

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儘管有反對聲音,量子力學的機率詮釋在經過多次驗證後成為主流觀點。量子系統在測量前的狀態是未確定的,所有可能狀態以疊加形式同時存在,而測量後才會呈現其中一種。這一觀點對傳統的決定論提出了挑戰。

根據量子力學的主流說法,量子系統的狀態在測量之前是未確定的,所有可能狀態以疊加形式同時存在,測量後才會呈現其中一種。這就像在抽卡時,不同的卡都有一定機率會出現,但具體出現哪一張卡,要等抽取後才知道。

此外,在量子系統中,有些物理量無法同時精確測量,例如粒子的位置和動量,這稱為不確定性原理。對愛因斯坦等支持決定論的科學家來說,無法確切預測和精確測量物理系統狀態的量子理論是不夠完備的。他們認為在量子力學背後,應該還有一些隱藏的變量,導致我們無法完整預測和測量量子系統。

1935年,愛因斯坦在與薛丁格的通信中,提出一個想法來質疑量子理論的疊加態概念:想像一桶品質不穩定的火藥,經過一段時間後,可能會爆炸,也可能不會爆炸,那麼這桶火藥豈不是處於爆炸與未爆炸之間的疊加狀態?

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受到愛因斯坦的啟發,薛丁格進一步提出了「薛丁格的貓」思想實驗:把一隻貓放進鐵製房間,裡面有測量輻射的偵測器和少量放射性物質。放射性物質衰變是隨機的,處於衰變與未衰變的疊加態。如果放射性物質衰變,偵測器會觸發機關釋放毒氣,貓就會死亡;如果沒有衰變,貓則活著。整個系統的波函數處於貓活著和貓死亡的疊加狀態。

薛丁格提出了著名的思想實驗「薛丁格的貓」,反駁量子力學的疊加態說法。圖/Envato

這一思想實驗引發了人們對量子理論的深刻思考。薛丁格提出這個實驗,是為了強調量子疊加態的荒謬性,反對量子理論的測量詮釋。對愛因斯坦和薛丁格來說,物理真實應該是確定的,而不是機率和疊加的。

世界是決定論還是機率論?

薛丁格的貓思想實驗提出後,引發了更多的討論和質疑。例如:既然量子系統的狀態要測量之後才會確定,那麼貓的死活是要我們打開房間觀察後才會知道嗎?還是說,貓自己本身就可以是一個測量者呢?需要有一個生命意識去測量它嗎?到底,貓的死活是在什麼時候確定的呢?

儘管目前學界對測量問題還不算有一致公認的答案,但我們對量子力學的認知,已經比薛丁格那個時候增加許多,所以愛因斯坦和薛丁格對量子力學的質疑,以及薛丁格的貓引發的疑竇,我們已有能力給出大致確定但不完全塵埃落定的答覆。

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在下一集,我們將繼續探討這些問題,「上帝真的不玩骰子嗎?」

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