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一睹眾哲神采

Write Science
・2012/12/05 ・3737字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

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我不常在漫長的飛行旅程中與人攀談,在陌生人周圍我總有些害羞。但最近一次從美東返家的長途飛行中,我和身旁一位了不起的75歲女性,聊了整整5個小時。Stefi來自美國佛蒙特州,曾是位金銀匠師、也是德國移民。我們的對話內容從珠寶製作的藝術、佛蒙特州的冬天,漫談到她住猶他州的兒孫;她正要去探望他們。

一陣子後,話題轉向她住柏林的童年時光,那時正值第二次世界大戰末期。坐在我身旁的,正是一位曾經大戰洗禮的倖存者,是一條活生生的靈魂,既非士兵、亦非前線或後方工廠作業線的一員,而是無端被捲入不幸戰亂中一般人。憑著鮮明的記憶她重述了自己曾親眼目睹的故事,當時她與母親和姐妹們蜷縮在地下室裡,夾縫中求生存直到戰爭尾聲,並遭逢柏林戰役(Battle of Berlin),目睹蘇聯紅軍(Red Army)佔領柏林。她的腦海裡,這一切依然歷歷在目、栩栩如生。但我腦海裡能想像得的,卻盡是單調的黑白畫面;我這一代的任何人所見過的二次大戰影像,除黑白分明外、別無他色。

旅途過後幾天,Stefi與我回到各自的生活軌道上,我思考起人的記憶與歷史記錄間的差距。物理學界也有類似的例子,以黑白對比的影像保存夙昔的典型。我這領域中最有名的照片之一,便是1927年十月於布魯塞爾市(Brussels)舉行的第五屆索爾維會議(the Fifth Solvay Conference),該會的主題是電子(Electrons)與光子(Photons)。這會議廣為人知的原因,正是因為這張具代表性的黑白照,及當中的與會者。

圖一:於1927年布魯塞爾索爾維電子和光子會議(Solvay Conference on Electrons and Photons)中的與會者。

瀏覽此照,或用手指遊走於照片上方的名字,你會發現這些名字根本是現代物理學發展的同義詞。29名與會者中,有17名後來獲頒諾貝爾獎,其中包括居里夫人(Marie Curie),她是唯一在不同學科獲得兩次諾貝爾獎的人!這張照片捕捉了開創現代物理學的巨擘模樣,是這些人為現今科技世界的發展奠下基礎。此會能流傳至今,成為當代文明口耳相傳的故事,是因為愛因斯坦(Einstein)在會中道出了他的至理名言:「上帝不玩弄骰子!」;尼爾斯‧波耳(Neils Bohr)的回答也很經典:「愛因斯坦,不要告訴上帝祂該做什麼!」

對我們許多置身物理學的局中人而言,這些人是科學的象徵、楷模、和靈感。我們熟知他們的名字與他們的故事,我們能輕而易舉地從照片中認出他們,就像認出身旁的朋友一樣。但畢竟這都只是了無生氣、沉默無言的粗顆粒黑白群像。我認識 (所知道)的人當中,沒有誰曾與愛因斯坦、波耳、海森堡(Heisenberg)、或居里夫人邂逅;從沒有人能為我敘述這些偉大思想家還在世時的粲然神采。

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很有趣的事實是,儘管這些歷史影像全是黑白的,但是彩色攝影早在此會的66年前,便由另一位偉大的物理學家詹姆斯‧馬克士威(James Clerk Maxwell)創想出來了。

圖二 史上首禎彩色照片,於1861年由托馬斯‧薩頓(Thomas Sutton) 協助詹姆斯‧馬克士威(James Clerk Maxwell)所攝。 該圖像是一條以三色投影技術拍下的蘇格蘭格紋緞帶。

當時的彩色攝影,是先以紅、綠、藍三種彩色濾鏡拍攝圖片,得到三張黑白照後,再將三張黑白照透過濾鏡重新投影,如此彩色圖像便能顯現。此原則或多或少,與今日的電視及電腦螢幕色彩生成法相同。如果你在閱讀此文時仔細盯著螢幕,你會看見螢幕上的像素正是以紅、綠、藍三色組成。

圖三 利用色彩三原色(RGB)成像的例子。 左側的三個黑白影像分別透過紅(上)、藍(中)、和綠(下)三色濾鏡拍攝下來。 當這三張照片透過彩色濾鏡重組後,全彩圖像(右)便出現了。

此蘇格蘭格紋照片,是在馬克士威授課的講座上製成的。馬克士威對光與色彩的興趣,始源於他的創見:他是史上首位理解到電力和磁力等不同物理現象之間,存在著關連的人。這兩物理現象的統一,如今稱為「電磁學」(electromagnetism) 。而這統一的學說引領了另一發現:電磁現象的代言人就是光。今天,用來描述電磁現象的四個方程式,便稱作馬克士威方程組(Maxwell Equations)。

科學是浩瀚無邊的,每為一新發現興高采烈之際,新的奧秘與疑惑往往伴隨而來。電磁學的其中一個重大成就,就是證明了光其實是一種波,而波的屬性 (波長,或頻率 )決定了我們的雙眼如何感知顏色。

圖四 電磁波譜:利用光(或「顏色」)具備的各種不同性質,描述出各種類別的光。 人眼能看到的是可見光,它位在波譜中間一個的小小彩虹區段。

藉由可測量的特性來定義光的顏色,這對人類而言是一大突破,不僅幫助我們理解周圍的世界,同時也帶我們發現,有許多光的「顏色」人眼是根本看不見的!這類光已是我們耳熟能詳的,像是無線電光、微波光、紅外光、紫外光、和X光。但是知道一個事物的確存在(「看哪,紅外光!」),能測量它的屬性(「這個無線電波的波長是21公釐。」),不見得清楚它為何存在。自然界裡怎會有這麼多種光呢,以及為什麼,要等到二十世紀早期,這些奧祕才由參與索爾維會議的偉大心靈們一一解開。

愛因斯坦發現了宇宙有一舉目通用的速限,即是真空之中沒有什麼跑得比光速還快。馬克斯‧普朗克(Max Planck)假設微觀世界裡,能量是由量子(quanta)的離散包傳遞,有光的情況下,這些量子就是光子(photons)。尼爾斯‧波耳使用普朗克的假說來解釋原子是如何產生離散頻譜線,等於是替原子找到有色指紋,好在週期表上相互區分。居里夫人發現鈾具有X射線的輻射特質,是首位假設X射線來自原子本身的科學家,這無疑是一透徹的洞察,推翻長久以來原子不可分割的假說,並首度啟發了當代對放射性物質的認識。路易‧德布羅意則逐漸瞭解了基本粒子的規模,物體居然可以同時表現為波和粒子,這種「雙重性」的特色凸顯了量子世界的奇異,絕非是我們日常經驗裡熟悉的鬆餅、福斯汽車(Volkswagens)和家雀等尋常事物能比擬。埃爾溫‧薛丁格(Erwin Schroedinger)把量子假說提昇到更普遍的範疇,發展了一個數學方程(現在以他的名字命名),使我們能預測原子世界的實驗結果。他知名的思想(gedanken)實驗,是利用盒裡的一隻貓與一小瓶氰化物,探討「知識」介於宏觀和微觀世界間的神祕差異。類似的成就不勝枚舉。

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圖五 所有已知化學元素的可見光指紋(「原子光譜」)。 每個原子發射和吸收這些獨特的顏色組合,使我們能夠加以識別。

時興下的政治氣候,經常懷疑科學研究的實用性,質疑把資源挹注在基礎研究,是否能為整體社會帶來任何好處(經濟上或其他層面)。凝視這些索維爾與會者的照片,思考他們為知識文明所做出的貢獻,我們旋即會瞭解,是他們的研究改變了世界;某程度上,是他們的空前思索,為我們現知的世界開天闢地。輻射的發現直接促使放射醫學、輻射殺菌、核電和核武的誕生。原子的活動和原子間相互作用產生的光,後來應用到雷射、LED手電筒,車子或滑板下方酷炫的燈光上,此刻你在電腦螢幕上讀到的像素也源於此。微觀世界的量子力學,以及我們對它的理解,直接影響了積體電路與你所見過的現代電子設備。這些事實恐怕會使人類的時間感故障失衡,畢竟回想量子力學發明的那時,電腦還只是具資料計算功能的機器,沒人能想像「晶片」怎麼做。到了1958年,索爾維會議的31年後,傑克‧基爾比(Jack Kilby)在德州儀器(Texas Instruments)研發出史上首款能工作的積體電路;1970年代,出現了首台使用積體電路、且一般人能負擔的電腦,21世紀初期,智慧型手機隨之誕生。蘋果(Apple)、微軟(Microsoft)、惠普(Hewlett-Packard)、戴爾(Dell)等科技龍頭的崛起,無一不是立足於1920到1930年代間的基礎研究上。

我的思緒回到最初,那記錄往昔的群像。在馬克士威首禎蘇格蘭格紋三色照出現後,彩色攝影術進步相對緩慢。1908年的諾貝爾物理學獎頒給了早期攝影用的色彩感光乳劑,但是,第一卷成功的彩色底片,要等到1935年柯達(Kodak)成立家喻戶曉的科達康(KODACHROME)品牌後,才順利問世。即便如此,彩色攝影比黑白攝影昂貴得多,直到1950年代末期才有廣泛的使用。也就是說,我們的影像歷史,多是由顆粒感厚重的黑白影像所主導的。

正因如此,當這張索爾維會議的照片上週在我朋友的Facebook牆面上流傳時,真是一大驚喜,因為它居然是彩色的!它出乎意料地使我震撼,難以忘懷。有好長一段時間,我只是盯著照片看。我從不知道居里夫人戴的圍巾有一點藍色,愛因斯坦繫著一條具迷幻效果的領帶,而薛丁格別著紅色的領結(保利看著那個領結,是否很羨慕呢?)。但更重要的是,因為畫面上這群人是彩色的,他們彷彿坐在我的對桌一樣清楚立體。這肯定是有些奇怪而扭曲的心理歷程吧,那一抹色彩的迸發,人物臉龐上柔和的膚色,突然使這些科學先驅的存在變得更真實。

圖六 1927年索爾維會議,與會者的彩色肖像版。

就此,他們不再只是歷史課本上的名字,或幾禎有顆粒感的照片而已;並列人類共享的科學遺產裡,這群卓越非凡的思想家,總算在邈如曠世的科學家手中模樣再現,讓後人能一睹其翩翩神采。

作者:Shane L. Larson
譯者:Angela M.H. (現為自由譯者,歡迎聯繫 angela.mh19@gmail.com)

本文原發表於Write Science[2012-11-21]

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編註:根據這篇,原上色者並非透過科學方式得知正確色彩,而是自行根據當時脈絡上色。

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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。

延伸閱讀

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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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PanSci_96
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