- 採訪編輯／歐柏昇 美術編輯／張語辰
為什麼研究「理論物理」？
中研院物理所的余海禮研究員，專研理論物理，尤其是關於「時間」的問題。時間與「因果性」有關，因果秩序是讓世界變得有意義的關鍵條件，也牽涉道德、倫理的基礎。余海禮認為，研究理論物理是個重獲自由的過程。
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別再給愛因斯坦造神了！
說到近代物理的重大進展，大多數人會先聯想到愛因斯坦。這次專訪中，余海禮則強調，別再造神了！科學發展是回應一個社會的挑戰，或是回應一個文明的挑戰。
把愛因斯坦塑造成一個很偉大的神，反而沒辦法看到，整個事情是人類文明一直在滾動的必然結果。
余海禮說明，1900 年前後已經有足夠的文化基礎，就算沒有愛因斯坦，也會有人把相對論建構出來。當時電磁學已經相當成熟，而且 1887 年邁克生－莫雷實驗發現光速是個常數（雖然愛因斯坦本人可能沒讀過他們的論文），這些都是相對論的基礎。此外，當時的繪畫、詹姆斯 ‧ 喬伊斯 （James Joyce）的意識流小說，也都在考慮空間、時間扭曲、宇宙的問題。
對愛因斯坦的造神運動，還有一個傷害：太崇拜一個人的時候，你不容易跳出他的思想框框。事實上，愛因斯坦的相對論選擇了一條「偏離主流」的發展路線。
余海禮從歷史回顧，牛頓三大定律提出之後，近三百年的力學發展有兩條線：第一條是拉格朗日 （Joseph-Louis Lagrange）的路線，他把幾何方法的牛頓力學，改成完全用代數表達。第二條是哈密頓 （William Rowan Hamilton）的路線，他把牛頓的二階微分方程，轉換為較容易解的兩個一階微分方程，並找到可界定系統動力學結構的物理量。
愛因斯坦的相對論的場方程式的推導，受到了數學家希爾伯特（David Hilbert）的影響。希爾伯特是數學家而非物理學家，他延續拉格朗日、用數學家的方法，採取變分法的代數路線。
「拉格朗日方法的好處是數學上比較簡潔，但問題是隱藏的物理結構比較不清楚，這是相對論發展可惜之處。」余海禮說明。
1950-1960 年代：從愛因斯坦的「非主流道路」回到常軌
由於採取了拉格朗日的方法，愛因斯坦方程式的解看不出「動力演化」。何謂動力演化？余海禮說，就像我們會問，中國社會、臺灣社會在 1960 年是什麼樣、1970 年又是什麼樣，動力演化就是隨時間的演化。對於一個物理系統，我們也會問「它如何隨著時間而改變？」，然而愛因斯坦的相對論對這部分的詮釋卻含糊不清。
直到 1950 年代，狄拉克（Paul Dirac）嘗試把相對論拉回力學發展的正常軌道上，把它的動力結構分析出來。到了 1960 年代，物理學家試圖解決相對論的另一大毛病：
我們經常聽到，相對論是個有關「四維時空」演化的理論，但是這句話其實有很大的邏輯問題。
「四維時空」的概念源自愛因斯坦的老師閔考斯基（Hermann Minkowski） ，他認為，既然透過勞倫茲變換，時間可以變成空間、空間可以變成時間，那乾脆進一步把「三維空間、一維時間」看成「四維時空」這個單一結構。因為閔考斯基是位數學家，而不是物理學家，提出的這個方法在數學上大大簡化了相對論的推導過程，但是物理觀念變得混淆。
關於「四維時空」的內在邏輯矛盾，余海禮解釋，「時空」已經把「時間」包含在裡面了，那怎麼還能夠問一個時空結構如何「隨時間的演化」的問題呢？我們無法用自己來完整地描述自己。
愛因斯坦終其一生，沒有擺脫這種觀念上的自相矛盾。
到了 1960 年代，阿諾威特（Richard Arnowitt）、德塞爾（Stanley Deser）、米斯納（Charles W. Misner）三人為了解決這個矛盾，重新走回原來的力學發展軌道──試問「物理系統」如何隨時間演化。所謂的「物理系統」是三維空間，因此能隨時間演化。他們把「四維時空」重新分割為「 3+1 維的空間和時間」，稱為 ADM 分解法（ADM decomposition） 。
余海禮舉了一個例子，說明「3+1 維的空間和時間」的重要。最近 LIGO 測量到的重力波訊號，是兩個黑洞繞來繞去，最後碰在一起，變成一個黑洞，放出巨大的能量，以重力波的形式來到地球。
如上方影片可看見，兩個黑洞構成「三維空間」，經由「一維時間」的變化而慢慢縮小，然後瞬間合併一起並釋出巨大能量，最後變成一個安靜的自轉黑洞。
如果沒有 ADM 的幫助，依照愛因斯坦的「四維時空」，整個黑洞、重力波就是一團四維的幾何結構，我們根本無法用我們的經驗來理解重力波實驗的觀念架構。
最關鍵的問題：如何理解「時間」？
相對論至今還有很多問題，需要重新理解。例如：
LIGO 量到重力波，表面上是肯定相對論，但是其深刻的邏輯結構，其實是在否定愛因斯坦最原始的相對論。
嚴格來說，相對論告訴我們，重力場的能量密度為零。然而，假如重力波不帶有能量，就不會與 LIGO 的儀器作用。
余海禮回憶，1985 年 10 月，基普‧索恩（Kip Thorne）來中研院物理所訪問。當時余海禮針對重力波是否帶能量的問題，一直要索恩表態。索恩謙虛地說，他作為工程師（那瞬間，他不把自己稱作物理學家），量到訊號就好。
直到現在，相對論還有一些問題需要探討。
第一個問題，到底是只有時空、沒有時間，還是又有時空、又有時間，或者是沒有時空、只有時間？第二個問題，相對論談整個宇宙時空，量子力學談原子結構，如何將最大和最小的結合在一起，達成一致的「量子重力」理論？
余海禮認為，最關鍵的問題是「如何理解時間」。一旦這個問題解決，其他的問題就跟著解決了。
當我們講世界有「時間」時，隱含著世界如何具備「因果性」。因果性是我們這個世界變得有意義、能夠被人類理解的最關鍵條件。
因果是用時間次序來排列的一系列關係變化。例如用手推桌上的一個杯子，如果還沒推它就先動了，這個世界變得無法理解。又如某個人殺了人，但還沒殺他就已經死掉，那犯人到底有沒有罪？若沒有因果性，道德、倫理都會出問題。
然而，廣義相對論的哥德爾 (Gödel) 解卻容許在時間上可回到過去，是一個無可避免會違反因果性的理論。這是一個關鍵的問題。
若要理解時間的本質，還需思考這件事：除了「宇宙本身」這個鐘之外，其他所有鐘都是圓的。余海禮笑著說，這句話意思不是時鐘不能做成方形，而是指所有鐘轉了一圈都會回到原點，只有宇宙本身，才可以用一條線把宇宙從誕生到未來的次序排列出來，我們可把宇宙歷史寫在那條線上。
換句話說，宇宙自身的膨脹，就是一個時鐘。
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上帝的苦心，是從原有方案找到方法
現今，人們用廣義相對論與量子力學兩大基本理論來描述宇宙，並發展結合二者的量子重力。余海禮認為，量子重力研究的重點，是重新理解時間、重新理解廣義相對論，而非一定要去發明一些高超的數學，或新的物理概念。「知識本身是一個約束，本身是一個框架，把你框住。」
物理是個很奇怪的東西，如果你太聰明的話，其實物理是做不好的。因為你太容易利用一些小的技巧、小的東西，把問題克服了，反而就看不到問題的本質。
余海禮引述，羅素曾經說過，如果上帝解決每個困難，都要發明新的技巧，那上帝就不值得我們敬佩了。上帝對於每個困難，解決辦法是如此完美，在原來的方案裡找到我們無法想像的方法。
理論物理是重獲自由的過程
余海禮說，人生活在世界上，受到各種不同的約束。例如今天我們的思考，其實受了牛頓的影響，只是我們沒注意到。
「美國開國元勳漢彌爾頓（Alexander Hamilton）說過，美國憲法就是立基在牛頓力學之上。」余海禮舉例，此外，生活中常聽到「今天股票動能很大、上揚很高」，其實就是用了牛頓力學的概念來理解世界。
牛頓的 F=ma 公式其實是經過種種的近似、約束才得到，並不是真理。所以我們學它時，卻也被它的結構約束住了。那人如何重新獲得至少精神上的自由呢？余海禮認為，理論物理是個比較確實的「重獲自由」過程；例如，看清楚我們如何在概念上被牛頓定律約束住，並超越這些約束，重拾宇宙的真理。
理論物理是重新檢定過去所學的每一個基礎原理，發現這些理論的約束，然後看到一個真正的真理。這個時候，才算是自由。
參考資料：
- 余海禮的個人網頁
- 余海禮、許祖斌，〈時間、廣義相對論及量子重力〉，收於中華民國重力學會編，《相對論百年故事》，臺北：大塊，2015。
- 〈重力波研究－宇宙及天文觀測的全新窗口〉，作者：余海禮
- 〈解開時空維度之鑰的對撞機〉，作者：余海禮
本著作由研之有物製作，原文為《別再給愛因斯坦造神了！專訪余海禮》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。
本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
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