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愛因斯坦相信的上帝,是你以為的那位「上帝」嗎?

賴昭正_96
・2018/03/30 ・5354字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

「科學沒有宗教是乏力的,宗教沒有科學是盲目的。」
──愛因斯坦

愛因斯坦毫無疑問是自牛頓以來最家喻戶曉科學家, 縱然他也會像常人一樣犯錯1,人們還是常常將他「神化」,對他的一舉一動、一言一行,當成我們一般人的言行準則:如果他相信上帝的存在,那麼上帝便似乎應該存在;如果他贊成你的觀點,那你看法大抵是錯不了的……。

愛因斯坦相信上帝存在嗎?因為他被「神化」的地位,這個問題的答案對世界似乎十分重要? 圖/ParentRap @Pixabay

大約是兩年前吧(時間過得真快),在一位老朋友家中與其他兩對夫妻聚餐,除了筆者之外,其他都是教會教徒;因此在閑談中他們免不了想找機會感化筆者。看到筆者似乎都不動心後,其中一位突然想到筆者是學物理的,要說服我哪有比動用愛因斯坦更有力,因此突然冒出「愛因斯坦曾經說過:要證明上帝的存在是很困難的,但是要證明上帝不存在更加困難!

證明「上帝不存在」比證明「上帝存在」更難?

筆者不太相信愛因斯坦曾說過這句話,但想利用他的號召力來說服對方的事情卻似乎屢見不鮮!導致愛因斯坦曾抱怨說:

用我有限的人類智慧只能領悟到些許的宇宙奧妙,卻還有人說上帝是不存在的;而真正讓我生氣的是這些人引用我的話來支持他們的觀點。

筆者當時是一笑置之,但現在想起來,那位朋友說「要證明上帝不存在」的一番話事實上是非常有道理、完全合乎邏輯的!想一想:世上只要有一人看到上帝(口說無憑、需要有更有力的證據),那便是證明了上帝的存在;可是要證明祂不存在呢?即使全世界幾十億的人、幾千年來都沒見過祂,我們還是不能說祂不存在的!

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這種證明法事實上是完全適用於「科學之王」的物理學。例如只要找到一個違反牛頓萬有引力定律的例子,我們便可以推翻牛頓的萬有引力學說;但即使 300 年來科學家一直找不到這麼一件現象,他們還是只能說萬有引力只是一種理論,隨時可被推翻的2。所以我們可以說:「要推翻牛頓萬有引力是很困難的,但要證明它的正確性更加困難」。不錯,當萬有引力不能解釋水星橢圓軌跡主軸之「旋進」(編按:又稱進動)、而廣義相對論能解釋時3,我們終於推翻了牛頓的萬有引力定律(事實上是知道了它的適用範圍)。

1998 年美國加州大學伯克來分校(University of California, Berkeley)的波米特兒(S. Perlmutter)與澳洲國家大學(Australia National University)的思密特(B.P. Schmidt)相繼宣佈超級新星 la 型的數據顯示,在大霹靂後的 70 億年,宇宙的膨脹率不但不減、反而又再次加速了!美國約漢哈普斯金大學(Johns Hopkins University)的雷斯(A. G. Riess)於 2006 年再次肯定了這些觀察結果。此一發現再次重寫了人類對宇宙演化的看法,因此諾貝爾獎委員會決定將 2011 年的物理獎發給這三位科學家。

但牛頓重力只有相吸的作用,無法解釋宇宙的加速膨脹,許多物理及天文學家因此主張宇宙中充滿著一種稱為「暗能量」的不明異物4!同樣的道理,只要有一位天文學家發現一點點「暗能量」,我們便可以說暗能量確是存在的;但雖然二十年來還是沒有人看到,我們還是不能說暗能量不存在的!雖然已有科學家提出不需要「暗能量」的新理論來解釋此一加速膨脹;但暗能量的研究還是方興未艾,很容易申請到研究經費的!

暗能量是否存在,至今難以證明。 圖/Free-Photos @Pixabay

愛因斯坦所相信的「斯賓諾沙的上帝」是?

在談到愛因斯坦對上帝的看法之前,我們必須在這裡先對「上帝」下個定義。

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印度及中國的佛教裡,似乎沒有一位創造了宇宙之「上帝」。佛教勸人苦行修業績,以便成神,所以宇宙根本不可能由某一神所造:佛教認為虛幻不實的宇宙乃是我們一念的妄想所致。在中國的傳說裡,則有盤古開天闢地之說:盤古頂天立地花了一百八十萬年的時間將天地分開後,他終於微笑地倒了下去,把自己的身體奉獻給大地(身體變成地球上的萬物,例如陽根化為伏羲,雙乳化為女媧)!

但從本文之引言裡看來,相信讀者應該已經猜想到,這裡所談的上帝既不是神也不是盤古,而是廣義基督教的上帝:祂創造了宇宙及人類;祂認為人類有罪,因此派耶和華到地球上來拯救我們;祂能聽到我們的祈禱,幫助我們實現願望;只要相信祂便能得救……。

在許多書信與訪談中,愛因斯坦均表態他「無法想像一位能直接影響個人行為、或坐在那裡審判祂自己所創造出來之人類的個人上帝(personal God)」。因此 1929 年 5 月 13 日時報雜誌(Time)刊了一篇波士頓主教歐康諾(W. H. O′Connell)攻擊愛因斯坦之文章謂:「我真的非常懷疑愛因斯坦知道自己在說什麼…… 。此一疑惑以及他對時間及空間令人迷惑的猜測後面,隱藏著的是無神論的驚人幽靈。」看到那篇文章後,一位紐約滿有名氣之猶太教祭司郭斯坦(H. S. Goldstein)乾脆直接電報愛因斯坦,謂願意付錢請他在 50 字內回答「你相信上帝嗎」這一個問題。

愛因斯坦只用了一半的字數回答:

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「我相信斯賓諾沙5的上帝⎯⎯因所有存在物質之井然有序顯示出了祂的存在。但我不相信將自己獻身於人類命運及生活的那位上帝。」

從上面非常肯定的答覆裡,我們應該非常清楚愛因斯坦對上帝的看法;但不管是信上帝或不信上帝的許多群眾,還是常斷章取義地用愛因斯坦的看法來支持他們的觀點。例如無神論者會說愛因斯坦不信上帝(實際上是不信「個人」上帝);事實上愛因斯坦曾多次強調:「我不是無神論者」。但這又成了信上帝者的工具:「證明」了愛因斯坦也信上帝的存在(實際上是信「泛」上帝的存在)!

愛因斯坦受斯賓諾莎的理論影響甚篤,沿著斯賓諾沙「神是決定論宇宙的一環」的概念,愛因斯坦認為萬物都是根據一套嚴格的法則運行。 圖/wikipedia

這世界井然有序到不可思議,驅使我們探索

為什麼愛因斯坦會相信「冥冥中」有一上帝存在呢?事實上筆者認為任何學科學的人都會碰到這個問題:不管科學多麼進步,我們最後總會碰到一個無法回答的邏輯問題。例如我們知道物質是由分子組成的,分子是由原子組成的,原子是由質子、中子、及電子組成的,質子及中子是由夸克組成的;夸克及電子是基本粒子,不再是由任何更基本之東西組成的,可是他們哪裡來的呢?不管人類多麼聰明,我們終將碰到這麼一個無法解決的邏輯問題6

還有,往大的方面看也會碰到相同的難題。在發表其嘔心瀝血之巨著廣義相對論後,愛因斯坦當然也開始思考著宇宙的問題。一個靜止而充滿著星球的無限宇宙,除了在邏輯上有問題(任何一點均應感受到無限大的重力以及天空不應是黑暗的7 )外,你能想像一個永遠沒有邊界的宇宙是什麼樣子嗎?可是一個懸掛在「空間」的有限宇宙也有問題:宇宙外的「空間」又是什麼呢?

左思右想,愛因斯坦於 1917 年 2 月提出了一個他自己都認為可能被關到「瘋人院」的第三個宇宙結構:沒有邊界的有限宇宙。這確是一個非常奇怪的想法:有限的空間怎麼會沒有邊界呢?愛因斯坦舉的例子就是生活在二度球面上的怪人:它們生活的球面是有限的,但卻沒有邊界(上下對它們來說是沒有意義的)。這種宇宙觀雖然奇怪,但在數學上完全可能!可是我們不是生活在數學上呀:此一宇宙外的「空間」又是什麼呢?……現在我們知道宇宙是在不斷地膨脹及「製造」出新的空間8,可是往哪裡膨脹呢?如果膨脹前端的外面不是空間,那是什麼呢?

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宇宙加速擴張的想像圖。 圖/Alex Mittelmann, Coldcreation [CC BY-SA 3.0] via wikipedia

這些問題遠超過人類的想像力;在物理學上,這也是永遠無法回答的問題(將來或許會有答案,但伴隨著的將是另一些無法回答的問題);因此大部分的物理學家都會告訴你「那不是物理學的範圍」。但愛因斯坦卻在那裡找到了「宗教信仰」── 1930 年夏天,在一個寧靜的德國小鎮卡布特(Caputh)度假時,愛因斯坦撰寫了一篇約 1000 字左右的「信條」短文「我的信仰(What I Believe)」,闡釋了他對人生、社會、政冶、宗教等的看法,以及為什麼他可以說是一位教徒:

我們能感受到的最美麗情緒是「不可思議」。它是所有真正之藝術與科學搖籃裡的原始情緒。一位對此情緒陌生、或不能再感到驚奇與痴迷般敬畏的人,實在是與死人或一根熄滅的蠟燭無異。能感受在我們可親身經驗到之任何事物後面,尚有我們(大腦)無法理解、但能間接地將其美麗及崇尚傳達給我們的東西:這就是宗教!就是依這個觀點,也只有依這個觀點來說,我是一位虔誠的教徒。

1936 年,當一位紐約小學六年級的女孩子問他「科學家祈禱嗎」,愛因斯坦回答說:一切事物⎯⎯包括人類行為⎯⎯的發生都是肇因於自然定律;因此科學家不太可能相信祈禱可以因超自然的希望而改變事情的過程。但他接著又說:

但是我們得承認我們對這些力量的真正了解是不完全的,因此我們最後之認為某種終極精靈(spirit)的存在,完全是基於一種信仰(faith)6。即使在今日科學之成就下,此一信仰還是很普遍的。

結論:愛因斯坦相信有上帝存在,科學定律就是祂的思考

愛因斯坦「深信」(信仰)有一超人理性的力量或精靈──上帝?──存在;「我們看到宇宙不可思議地井然有序,依循某些定律運轉,但我們只是朦朧地了解這些定律」。科學研究的目的就是要發掘這些不變的定律:「我想知道上帝如何創造這世界。我對這個或那個現像、這個或那個元素的光譜沒興趣。我想知道祂的思考,其它的都是細節。」

正是此一宗教式的信仰推動了愛因斯坦的科學:花了 10 年的時間將重力導入等速運動的相對論中、下輩子獻身於統合相對論與電磁理論、不肯接受「上帝玩骰子」的量子物理解釋9

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東方的《老子》說:有物混成,先天地生。寂兮寥兮,獨立而不改,周行而不殆,可以為天下母。西方的愛因斯坦說:我們看到宇宙不可思議地井然有序,依循某些定律運轉,但我們只是朦朧地了解這些定律。關於這世界的運行規則,千年來人類從未停止追求解答。 圖/PIRO4D  @Pixabay

雖然證明上帝不存在比證明祂存在更困難,但這不代表就是證明了上帝存在。顯然地,愛因斯坦也像虔誠的教徒一樣,相信上帝的存在,但他所相信的上帝不是高高在上,想拯救人類進入永生之天堂的上帝。他曾說:「對我而言,一次生命已經夠了」。就這點來看,愛因斯坦所信仰的上帝,倒是較接近中國的盤古:在開天闢地、創造了一個有條有理的宇宙後,他就不再管人類了!愛因斯坦敬畏上帝並不是怕將來會進入地獄,而是覺得人類的渺小,只能摸索宇宙運轉的定律,無法窺知整體的奧妙!10

注解:

  1. 愛因斯坦其實沒那麼神」,泛科學,03/16/2016;「我愛科學」,第 172 頁(華騰文化股份有限公司,2017 年 12 月)。
  2. 適者生存是理論嗎」,科學月刊,2014 年 4 月號;我愛科學」,第 35 頁
  3. 暗物質與暗能量」,科學月刊,2014 年 6 月號;我愛科學」,第 170 頁
  4. 愛因斯坦的最大錯誤?— 宇宙論常數」,科學月刊,2011 年 12 月號,轉載於泛科學,12/11/2011;「我愛科學」,第 162 頁。
  5. 斯賓諾沙(Baruch Spinoza),荷蘭人,十七世紀最偉大的理性哲學家(之一),其思想啓發了 18 世紀歐洲理性(Enlightenment)運動,為第一位將心靈與肉體視為一體的哲學家。他認為上帝不是超然、統治祂自己所創造之萬物的宇宙創造者,而是自然界本身,人類只是其中依一定規則運動(決定論)一成員。
  6. 在數學上,其解決方法是將它們的存在列為不需證明的前題「假設」。在日常生活上呢?其解決方法是謂它們是上帝的創作、而上帝的存在則是不需證明的前題「假設」──俗稱「信仰」。
  7. 「近代宇宙觀中的空間與時間」,新竹市國興出版社,1981 年。
  8. 近代宇宙觀謂:「空間」是膨脹的產物,而不是早就存在那裡等膨脹來填滿的。
  9. 愛因斯坦的最後一搏⎯⎯EPR悖論」,科學月刊,2016 年 5 月號;我愛科學」,第 72 頁
  10. 曾被譽為愛因斯坦以後最偉大之理論物理學家霍金(Stephen Hawking),在其全世界非常暢銷的科普「時間簡史」(A Brief History of Time,1988;第二版,2005)上說:如果我們發現了宇宙的完全理論,「那將是人類理性的最後勝利──因為那時候我們就知道了上帝的想法」。但在2011的「豐偉之設計」(The Grand Design)一書裡,他卻改觀的認為「我們不需用上帝來點燃(鞭炮之)導火線以啟動宇宙」。霍金於今年3月14日於英國劍橋逝世,享年76歲。
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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。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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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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為什麼會被陽光曬傷?光有能量的話,為什麼照日光燈沒事?
PanSci_96
・2024/05/05 ・3185字 ・閱讀時間約 6 分鐘

唉!好曬呀!前兩集,一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣,一向不缺陽光。市面上,美白、防曬廣告亦隨處可見,不過,為什麼我們會被陽光曬傷呢?卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情?

事實上,這也跟量子力學有關,而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點,接下來,我們會進一步說明,量子概念是如何被發揚光大,以及那個男人的故事。

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光電效應

在量子力學發展過程中,光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是,當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上,會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期,科學家就已經發現某個奇特的現象:使用光(尤其是紫外線)照射帶負電的金屬板,會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理,只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下,輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

光電效應示意圖。圖/wikimedia

於是 1899 年,知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中,並照射紫外線,來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷,卻察覺這些電荷的性質,跟他在兩年前(1897 年)從放射線研究中發現的粒子很像。

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它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子,也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年,德國物理學家萊納德發現,即使是在抽真空的玻璃管內,只要照射一定頻率以上的光,兩極之間便會有電流通過,電流大小跟光的強度成正比,而將光線移除之後,電流也瞬間消失。

到此,我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題?然而,若不用現在的量子理論,只依靠當時的物理知識,很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論,光的能量多寡應該和光的強度有關,而不是光的頻率。

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如果是光線把能量傳給電子,讓電子脫離金屬板,那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢?比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射,會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且,當紫外線的頻率越高,電子的能量就越大。

另一方面,若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板,會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話,就算強度很低,還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應,使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界,並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應,愛因斯坦假設,電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果,認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比,寫成 E=hν,h 是比例常數,也是我們介紹過的普朗克常數。

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在愛因斯坦的詮釋下,電磁波的頻率越高,光子能量就越大,所以只要頻率高到一定程度,就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量,形成電流;反過來說,如果電磁波的頻率不夠高,電子無法獲得足夠能量,就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏,但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳,就算加起來總力道一樣,我是不會被打昏,大概也綿綿癢癢的,不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強,代表光子的數目越多,於是脫離金屬板的電子自然變多,電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳,受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美,但是光量子的觀點實在太過激進,難以被當時的科學家接受,就連普朗克本人對此都不太高興。

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對普朗克來說,基本單位能量 hν,是由虛擬的「振子」發出的;但就愛因斯坦而言,電磁波本身的能量就是一個個光量子,或現在所謂的「光子」。

然而,電磁波屬於波動,直觀來說,波是綿延不絕地擴散到空間中,怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢?

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的,並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年,密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值,跟現在公認的標準數值 h=6.626×10-34 Js(焦耳每秒)相距不遠。

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在論文中,密立根更捶心肝(tuî-sim-kuann)表示,實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子,就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻,獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

1921 年,愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎之後的官方肖像。圖/wikimedia

光電效應的應用

在現代,光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板,利用的就是光電效應的一種,稱為光生伏打效應,材料內部的電子在吸收了光子的能量後,不是放射到周遭空間,而是在材料內部移動,形成正負兩極,產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

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曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光,也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚,會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸,引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化,導致細胞損傷和免疫反應,這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線,因為光子能量偏低,所以就不太會造成傷害,這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半,惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始,人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問;19 世紀初,湯瑪士.楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性,而到 19 世紀中後期,光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展,世人才明白,光是一種波動。

怎知,沒過幾年,愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶,還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認,光具有波動和粒子兩種性質,而會呈現哪一種特性則依情況而定,稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念,顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點,將光能量量子化的詮釋也被實驗印證,在那之後,除了光的能量之外,還有其他物理量被發現是「量子化」的,像是電荷。

我們現在知道,電荷也有個基本單位,就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克,具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷,但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事,並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪,不妨想想,我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的,但其實在微觀尺度,身體也是由一個個很小的原子和分子組成,只是我們根本看不出來,才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小,其實也是像這樣子,細分下去就會發現具有最基本的單位,不是連續的。

事實上,量子力學在誕生之後,一直不斷地為人們帶來驚喜,簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事,就要來聊量子力學發展過程中,打破世間常識的某個破天荒假說,而假說的提出者,是大學原本主修歷史和法律,擁有歷史學士學位,但後來改念物理,並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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思考的極限:宇宙創造出「空間」與「時間」? ——宇宙觀的發展史(下篇)|20 世紀後
賴昭正_96
・2023/05/17 ・6928字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

空間與時間都根本不存在:它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要;沒有事件就沒有時間的必要。
——賴昭正(不可能得到諾貝爾獎的科普作者)

宇宙在十六世紀以前一直被認為是宗教與哲學的範圍。圖/Envato Elements

宇宙的起源、歷史、與結構,在十六世紀以前,一直以人及地球為中心,被認為是屬於宗教與哲學的範圍。1543 年,哥白尼(Nicolaus Copernicus)粉粹了地球為宇宙中心的幻想;約百年後,伽利略(Galileo Galilei)改進了望遠鏡,並將其鏡頭轉向天空,開啟了觀測天文(observational astronomy)之門,並大力支持哥白尼之地球繞日的理論。

慢慢地,科學家不再須要依靠信仰來解決、而是利用科學儀器去「看」宇宙像什麼樣子及如何演化。又再約百年後,牛頓(Isaac Newton)用萬有引力及距離平方反比定律,解釋了一系列以前不相關的天上人間現象,並且可以計算出行星繞太陽的週期,使得天文學正如其它科學訓練一樣,不再是信仰的爭論,而是證據與理論的問題。

當天文學家了解到了人不可能是宇宙的中心時,科學家再沒有任何理由認為我們所處在的地方在宇宙中佔了一個很獨特的地位;同樣地,也沒理由認為我們所處在的時刻是個很特殊的時刻——稱為「宇宙學原理(Cosmology principle)」。顯然地,宇宙應該永遠就是那樣地存在,它沒有開始,也不會有終結。

膨脹的宇宙

如果星星可以自由移動,那麼宇宙還是不是靜態?圖/Envato Elaments

牛頓的力學統領了三百多年的物理學及天文學發展,直到 1905-1915 年間,愛因斯坦(Albert Einstein, 1897-1955)相繼地發表了狹義相對論及廣義相對論後才被修正。

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愛因斯坦發表了他的重力場方程式後,當然也在思考著宇宙的問題;但卻發現他場方程式的解不可能是一個靜態的宇宙!為了符合當時的宇宙觀,二十世紀近代物理學革命先鋒的愛因斯坦竟然屈服於「共識」,修改其方程式來取得靜態解。

事實上早在 1718 年,英國天文學家哈雷(Edmond Halley,1656-1742)就發現了三顆明亮的恆星不再處於古代觀測所確定的位置,嚴重地質疑恆星固定位置的假設。而如果星星可以像正常的物理物體一樣地自由移動,那麼宇宙是不是靜態呢?

1922 年至 1924 年間,俄國數學家佛里曼(Alexander Friedmann,1888-1925)假設宇宙中物體的分佈是均勻(宇宙學原理),解廣義相對論場方程式,發現這些物質在空間的分佈只有三種可能:
從開始的一點,空間隨著時間增大而

  1. 慢慢趨近到一個定值;
  2. 永遠繼續膨脹增大;
  3. 膨脹一段時間後開始收縮。
圖/作者提供

1927 年,比利時魯汶天主教大學(Catholic University of Louvain)教授勒梅特(Georges Lemaître,1894-1966,麻省理工學院物理博士)神父也獨立地發現了佛里曼解;但因他對其物理意義比較感興趣,從中預測了真實的星系宇宙膨脹,得出距離我們越遠的星群後退速率應越快、但沒有人在意的革命性結論——愛因斯坦接受了他的數學,但拒絕了他的物理解釋。

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1929 年,美國天文學家哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)分析了一些從遙遠星群傳來之光譜的測量結果,發現其頻率很有系統地往頻率較低之紅色位移(red shift),其位移值隨星球離我們之距離的增加而加大。顯然地,遙遠星群是依一定的規則在遠離我們:距離我們越遠,後退速率越快——稱為「哈柏—勒梅特定律」(Hubble-Lemaître law)。

這無可避免的結論是:宇宙正處於一膨脹狀態!此一完全出乎意外的發現,改變了宇宙論這一研究的整個面貌!可惜在哈柏去世前,天文學顯然還是被認為是屬於宗教與哲學的範圍,因此他從未得到諾貝爾獎。

宇宙的開始

一個膨脹的宇宙是一個在改變的宇宙,因此應該具有生命的歷史。1931 年,勒梅特開始追溯宇宙的足跡,得出了他所謂的「原始原子假說」(primeval atom),在《自然》雜誌上發表了一篇 457 字的短文謂:

「如果我們回到過去,我們必須找到越來越少的量子,直到我們發現宇宙的所有能量都包含在幾個——甚或是一個獨特的——量子中。……,如果世界始於一個單一的量子,那麼空間和時間的概念在開始時完全沒有任何意義。……,我們可以以一個獨特原子的形式設想宇宙的開始,其原子量是宇宙的總質量。」

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無神論宇宙學家霍伊爾(Fred Hoyle,1915-2001)因為不相信「原始原子假說」,在 1949 年諷刺地稱它為「大霹靂」(big bang),沒想到這一名詞竟然廣為科學家所接受的,稱勒梅特的宇宙觀為「大霹靂宇宙論」。

1979 年 12 月,麻省理工學院古士(Alan Guth,1947-)教授突然心血來潮,懷疑他的研究——超冷(supercooled)的希格斯場(Higgs field)——或許也適用於宇宙論。

美國理論物理學、宇宙學家 Alan Harvey Guth 亦是暴脹模型的創立者。圖/維基百科

古士的研究顯示,如果當初宇宙充滿了稱為急脹子(inflaton)的希格斯場,則在慢慢膨脹而冷卻下來時,這急脹子可能被困在一能量不為零的非常不穩定之超冷狀態。此狀態的急脹子因具負內壓,可以提供非常強大的排斥力,促成瞬間非常巨大的膨脹(「大霹靂」的原因)。

但因此一狀態非常不穩定,因此急脹只維持了大約 10-35 秒之久;但在這期間宇宙膨脹率隨著時間而急速加快的!在此之後,宇宙的膨脹率才因重力的關係又恢復到其越來越小的正常狀態!

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此一巨大迅速加速膨脹不但能解釋為何現今的宇宙是如此地均勻;它甚至還告訴了我們現今我們所觀測到的宇宙,事實上只是整個宇宙中非常小的一部份!這正又說明了為什麼我們現今觀測到的宇宙是平的——正如大球表面上的一個小面積看起來是平的一樣。此一偶然發現,一下子解決了宇宙大霹靂論的三大謎題(詳見愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數)!在大約 10-35 秒後,此一大霹靂才停止,急脹子才放出其多餘的超冷能量,產生我們現今所看到的一般物質與能量。

科學家稱此一改良的大霹靂宇宙論為「急脹宇宙論」(inflationary cosmology),原來之大霹靂宇宙論為「標準大霹靂宇宙論」(standard cosmological Big Bang model)。

宇宙沒有邊緣

一個以獨特原子「大霹靂」出來的時空當然應該是有界限的,有界限的時空當然應該是有邊緣的。可是如果有邊緣,那應該有很獨特的中心點,這不違反了「宇宙學原理」嗎?還有,邊緣的外面是什麼?如果是空間,那應該是「大霹靂」造出來的,應該是宇宙的一部分,所以宇宙應該是沒有邊緣的。

沒有邊緣的宇宙不一定必須是無限大的:愛因斯坦 1917 年提出的宇宙就是一個沒有邊界的有限宇宙:生活在二度球面上的怪人,它們生活的球面是有限的,但卻沒有邊界。球面不平,故可以彎回形成一個封閉的無邊緣空間;但如果宇宙的幾何是平的,不能彎回來,那麼宇宙便應該是無限大的,沒有邊緣的;儘管如此,宇宙的膨脹還是在繼續製造空間的,所以空間隨著時間變成「更無限大」。

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圖/作者提供

時空的膨脹

我們對「膨脹」的了解都是置身事外、隔岸觀火的:像看正在膨脹的氣球,只見其體積越來越大。但是宇宙只有一個,我們不可能置身事外;而如果宇宙是無限大的,則不管我們在哪裡,都會覺得我們正處於膨脹中心點,正像球面上的任何一點,發現其它各點離我們之速率與其距離成正比(這正是哈柏的發現)。

還有,隔岸觀火讓我們可以看到氣球外的膨脹空間,我們可以量得在膨脹時氣球上任何一點對地球的「運動」速度;但如果我們置身正在膨脹的宇宙中,當然看不到宇宙外的膨脹空間。

不,等一等,宇宙是無限的,它怎麼還有「外面」讓它膨脹呢?當然沒有!所以現在的物理學家認為空間像氣球的表面一樣,是膨脹——不是運動——「製造」出來的!兩個物體的空間距離因膨脹——不是相對運動——而加大。

萊布尼茲(Gottfried Leibniz,1646-1716)終於戰勝了牛頓:沒有物質的地方就沒有空間,空間根本不存在,空間只是用說明物體之間的相對位置的「語言」而已。所以哈柏所測到的遙遠星群有系統地離開我們,並不是因為星群「運動」的結果——星群並沒有在牛頓之「絕對空間」中運動。

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如果空間是被製造出來的想法很難接受,相信時間就容易瞭解多了!想一想:「現在」根本沒有「明天」,「明天」是在明天的「現在」才出現的,所以「明天」是製造出來的;「時間」是在膨脹,往現在不存在之「明天」膨脹;「現在」與「明天」之間沒有界限,所以時間應該沒有邊緣;沒有邊緣就沒有邊緣外是啥的問題!

而沒有邊緣、又是「我的青春小鳥一去不回來」(註一)的時間不應是無限大嗎……,所以宇宙的膨脹事實上不止製造了空間,同時也製造了時間!

西漢(公元前 202 年-公元 8 年)《淮南子》的首篇《原道訓》謂上下四方為之「宇」,古往今來為之「宙」;這句話闡明了「宇」就是空間,「宙」就是時間;宇宙就是時空,宇宙歷史就是製造時空的歷史!

宇宙歷史就是製造時空的歷史!圖/Envato Elements

宇宙年齡與黑暗夜空

如果時間是因為大霹靂而製造出來的,那現在的宇宙到底都老了?精確測量的「遙遠星系的速度及其距離比」(稱為「哈柏常數」)估計現在的宇宙年齡為 138 ± 10 億年。

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2013 年,歐洲航天局的普朗克太空望遠鏡繪製了一張詳細的宇宙微波背景溫度之波動圖,估計宇宙的年齡為 138.2 ± 0.5 億年。去年 3 月 30 日,由約翰霍普金斯大學韋爾奇(Brian Welch)博士領導的一群天文學家宣布發現了有史以來最遠和最早的恆星:一個在 129 億年前(大霹靂之後 9 億年時)發出的光點。

哈柏對星系系統性紅外移的發現終於讓我們解決了牛頓之無限宇宙論與宗教之有限宇宙論間的衝突。

起初人們認為僅紅移效應就足以解釋為什麼夜晚的天空是黑暗的:來自遙遠星系中恆星的光會被紅移到可見光範圍之外的長波長。然而,現在共識是,宇宙的有限年齡是一個更重要的影響。即使宇宙在空間上是無限的,但由於光速及重力傳播速有限,來自遙遠星系的光子或重力根本還沒有足夠時間抵達到地球。

如果現在宇宙的年齡是 138 億年,那麼我們將感覺不到距離地球 138 億光年外的光或重力,而認為宇宙是有限的。我們稱這個半徑 138 億光年的球面內宇宙為「可觀測宇宙」(observable universe)。在這個宇宙視界內的星數大約 2 萬億個,太少了,無法使夜空明亮或將地球撕裂。

還有,如果牛頓當時知道宇宙是在膨脹,他根本不需要一種「無限而永恆」的神力來防止星雲被拉到一起。

獵戶座大星雲揭示了恆星與行星系統的形成過程。圖/維基百科

思想的貧乏

如果時空是大霹靂製造出來的,那在這之前根本沒有時空!沒有時空?那這大霹靂在什麼「地方」發生的?又為了解釋如果爆炸有中心點,那便違反了「宇宙學原理」,有些理論天文學家甚至提出大霹靂是「到處」同時發生的!可是「到處」不是空間嗎?……這不正是「先有雞還是先有蛋」的矛盾問題嗎?

儘管哲學家盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 1712-1778)認為:「現實的世界是有止境的,幻想的世界則是無垠的」,但在寫這一節時,筆者還是一個頭兩個大!

紐約州立大學石溪分校的天體物理學家舒特兒(Paul Sutter)在去年 2 月 25 號的宇宙之外有什麼東西嗎?一篇文章結尾說:「如果這一切聽起來複雜而令人困惑,請不要擔心。……,這就是現代宇宙學的力量之一:它(數學)使我們能夠研究難以想像的事物。」

恐怕我們所能做的就是接受這些悖論並努力去適應它,就像前面提到之萬有引力,當初不是被認為是「魔法、神秘、非科學」嗎?但現在已經沒有人懷疑這種力之存在了。同樣地,近代的物理(相對論、量子力學)裡不也是充滿了很多違反我們日常生活邏輯的奇怪觀點嗎?

宇宙又再次加速膨脹

1998 年加州大學伯克萊分校(University of California, Berkeley)的波米特兒(Saul Perlmutter)及澳洲國立大學(Australia National University)的思密特(Brian Schmidt)相繼宣佈超級新星 la 型的數據顯示,在大霹靂後的 70 億年,宇宙的膨脹率又再次加速了!約翰霍普斯金大學(Johns Hopkins University)的雷斯(Adam Riess)於 2006 年再次肯定了這些觀查結果。

此一發現再次重寫了人類對宇宙演化的看法,因此諾貝爾獎委員會將 2011 年的物理獎發給這三位科學家。

真是一波剛平,一波又起!好不容易物理學家總算了解了大霹靂的原因,在它之後宇宙的膨脹因為萬有引力的關係應該逐漸慢下來,怎麼現在它的膨脹又加速了?牛頓重力只有相吸的作用,因此要解釋此一加速膨脹,看來只有求助於愛因斯坦那修改方程式內之「宇宙論常數」(cosmological constant)了。

不錯,波米特兒及思密特思考著:在大霹靂(急脹)後,宇宙靠大霹靂時的衝力(物理學上稱為慣性)而繼續膨脹,但因萬有引力的關係,膨脹速率將越來越慢;可是如果真有愛因斯坦的宇宙論常數,則因其排斥強度不會隨宇宙膨脹而降低(萬有引力則會因宇宙膨脹而降低),它總有一天它會強過萬有引力,使宇宙的膨脹率由減速再次變成加速!這一天顯然就發生在他們所發現之大霹靂後約 70 億年時!

可是愛因斯坦的宇宙論常數是啥東西呢?沒有人知道,但一定不是普通的物質,否則早就應該被發現了——因此科學家稱它為「暗能量」(dark energy)。物理學家及天文學家正努力地在尋找此一充滿了宇宙、及必須具有負內壓的怪物。

宇宙膨脹的藝術構想圖。 圖/維基百科

結論

今日大部分的天文學家都認為宇宙是平的(佛里曼解 1),是在膨脹、沒有界限、無限大的。黑洞及重力波的相繼發現鞏固了廣義相對論在現今宇宙研究的理論地位。我們現在所看到的宇宙只是整個宇宙之一小部分而已;138 億年前離我們最遠那些星群因為宇宙加速膨脹的關係,事實上現在都已經離我們 460 億光年了(因為不是運動造成的,它們可以以大於光速的速度遠離我們)。

很難想像一個沒有邊緣、無限大的空間是什麼樣子?在那裡又如何能不停地製造出空間來?……,這些無法理解的「矛盾」邏輯或許正是羅素(Bertrand Russel,1872-1970)所說的「認為事物必須有一個開始(邊緣、大小、結束、……)的想法,實際上是由於我們思想的貧乏」?或普朗克(Max Planck,1858-1947)所說的:「科學無法解開自然界的終極奧秘,因為歸根結底,我們自己是我們試圖解開的謎團的一部分」?

這使筆者想到:人工智慧是人類製造出來的,它能像我們一樣創造出牛頓力學、相對論、量子力學嗎[註2]?甚或超越人類創造出一個沒有「矛盾」的宇宙觀嗎?

筆者在「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」一文裡最後提到:或許筆者下篇文章已經不是自己寫的了。讀者認為本文是人工智慧代寫的嗎?為什麼?

註解

  1. 黃駱賓:《青春舞曲》
  2. 筆者覺得不可能,因為筆者認為創造是屬於靈感和直覺的非理性活動,無法表達的;愛因斯坦曾謂:「我很少用語言思考。(雖然)一個想法出現了,我可能會嘗試用文字來表達它」。當我們無意識地思考時,邏輯及演繹推理就被拋在腦後;愛因斯坦曾謂:「我從來沒有通過理性思考的過程做出任何發現」。
    人工智慧有能夠有靈感、直覺、或無意識的思考嗎?還有,科學上不少大發現都是意外的,例如注意到胰臟被割除之狗,小便過的地板上蒼蠅特別多而發現了胰島素,忘了收拾細菌培養皿就去度假而發現了盤尼西林,錯誤的假設發現了量子統計力學等等。人工智慧如何「學習」或碰到這種運氣呢?

延伸閱讀

  1. 賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號),「牛頓的水桶」(科學月刊,2011 年 8 月號),「愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數」(科學月刊,2011 年 12 月號) ,「暗物體與暗能量」(科學月刊,2014 年 6 月號),「愛因斯坦其實沒那麼神?」(泛科學,2016/03/16)。
  2. 50年的追尋-宇宙之演化(科學月刊,2019 年 8 月號)。
  3. 宇宙是靜態還是在膨脹?又是誰先發現宇宙微波背景輻射?(泛科學,2022/04/22) 。
  4. 從圓周率與無理數,談數學也有其無法理解、不精確、和不確定性(泛科學,2019/06/03)。
  5. 賴昭正譯(P.C.W. Davies 原著):《近代宇宙觀中的空間與時間》(新竹國興出版社,1981 年 8 月出版)。
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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。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。