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愛因斯坦的最大錯誤?— 宇宙論常數

科學月刊_96
・2011/12/11 ・6634字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

如果你相信今年3位諾貝爾物理獎得主所觀測到的結論,那愛因斯坦自認為的最大錯誤,可能又將成為他在理論物理上的另一巨大貢獻!

文/賴昭正   美國芝加哥大學化學博士

你知道愛因斯坦一生中所犯的最大錯誤是什麼嗎?湊答案!在完成創世巨著《廣義相對論》(General Theory of Relativity)後不久,他發現由該理論所導出的宇宙觀竟然與當時物理學家(包括他自己)所接受的不同;於是愛因斯坦人為地在他的方程式裡加了一項常數,使其結果能符合當時之宇宙觀!沒想到12 年後,天文學家發現當時的宇宙觀根本就是錯的!愛因斯坦非常後悔地悄悄將那常數從其筆記本上擦去,謂這是他一生中所犯的最大錯誤!可是該常數卻陰魂不散,在愛因斯坦去世後四分之一世紀,又重新登上舞台,成了今日探討宇宙歷史的主要工具。

20世紀前的宇宙觀

宇宙的起源、歷史與結構,在16 世紀以前,一直被認為是屬於宗教與哲學的範圍;因此哥白尼(N . Copernicus, 1473~1543)只敢在去世前夕才出版地球繞日的理論書,粉碎了以地球為宇宙中心的幻想,開創了近代天文的研究。約百年後,伽利略(G. Galilei, 1564~1642)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(晚年被羅馬天主教強迫收回,並被軟禁在家)。為了紀念伽利略首次使用望遠鏡進行天文觀測400 週年,國際天文學聯合會及聯合國教科文組織,共同訂西元2009 年為「全球天文年」;科月也在元月號專輯中共襄盛舉〔註一〕。

四百多年來──尤其是20世紀後,科學家在了解宇宙的性質與演化上已有非常快速的進展!有關創世紀或盤古開天闢地到底是什麼時候發生、或如何發生的問題,科學家已不再須要依靠信仰來解決,已可以用科學儀器去「看」宇宙像什麼樣子及如何演化。像這類大哲學的問題已不再是信仰的爭論,而是證據與理論的問題──正如其他科學訓練一樣。

哥白尼粉碎了地球為宇宙中心的幻想後,慢慢地,天文學家也了解到太陽也不可能是宇宙的中心。以人為主的宇宙觀一旦破滅,科學家再沒有任何理由認為我們所身處的地方在宇宙中佔了一個很獨特的地位;同樣地,我們所身處的時刻也沒理由是個很特殊的時刻。顯然地,宇宙永遠就是那樣地存在,它沒有開始,也不會有終結──因為如果有開始,那顯然就應有創造者,這不是太宗教了嗎?

廣義相對論

愛因斯坦在1905 年所發表的狹義相對論(Special Theory of Relativity),雖然震撼物理界,完全改變了物理學家對時間及空間的觀念;但很遺憾地不能用於牛頓的萬有引力(重力)。經過10 年的苦思與奮鬥,他終於在1915 年完成了他的廣義相對論,彌補了此一缺失。愛因斯坦完成此一理論後,立即用它來計算水星繞日的軌跡,解決了牛頓重力理論無法解釋的「為何水星繞日軌跡慢慢變化」的困惑。他更用其廣義相對論,預測了光線在經過太陽附近時,會因該處時空變形(因太陽重力的關係)而彎曲。在1919 年的日蝕裡,英國天文學家愛丁頓爵士(Sir A. Eddington)測得了星光經太陽附近後的彎曲,發現其值與愛因斯坦理論所計算出來的完全符合〔註二〕!瞬間,全世界報紙競登此一理論,愛因斯坦一夜之間成了全世界家喻戶曉之名字!

圖一:1919年愛丁頓到西非觀測日全食並拍攝此照 片,觀測結果證實愛因斯坦廣義相對論。太陽正後 方的星光行經太陽,受到太陽四周時空的影響,產 生偏折現象。

讓我們還是將時間倒回到1915 年吧。愛因斯坦的廣義相對論闡釋了物體如何改變其周遭的時空幾何(geometry of spacetime)、及後者又如何反過來決定物體該如何運動。因宇宙充滿了物體,因此廣義相對論立即成為探討宇宙的工具。1916年年初(廣義相對論的最後形式是愛因斯坦於1915年11 月25 日演講時提出的),史瓦斯德(K. Schwarzschild)不但更嚴格的用此理論證明了水星軌跡的位移,並預測了「黑洞」(black hole)的存在(愛因斯坦一直不相信黑洞可能真的存在)。

愛因斯坦當然也在思考著宇宙的問題。一個充滿著星球的無限宇宙在邏輯上是有問題的:任何一點均應感受到無限大的重力、及天空不應是黑暗的〔註三〕。可是一個懸掛在「空間」的有限宇宙也是有問題的:宇宙外的「空間」又是什麼呢?左思右想,愛因斯坦於1917年2月提出了一個連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。這確實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:他們生活的球面是有限的,但卻沒有邊界(上下對他們來說是沒有意義的)。這種宇宙觀雖然奇怪,但是符合邏輯,在數學上也是完全可能的!但他的方程式卻說這樣的宇宙只能膨脹或收縮,這與當時大部分科學家所認為的靜態宇宙觀相衝突!沒想到推翻了深植物理學家心中達兩百多年之久的牛頓時空觀念的革命壯士,竟然在這裡屈服了:為了符合當時的想法,他在其宇宙論裡做了「少許修改」──加入了一個具有排斥力的「宇宙論常數」(cosmological constant)──來平衡萬有引力,使他的宇宙能保持靜態!

膨脹中的宇宙

1929 年,美國天文學家哈柏(E. Hubble)發表了一些有關從遙遠星群傳來之光譜的測量結果,分析其頻率顯示其光譜線很有系統地向紅色方向位移。哈柏發現此一所謂的紅色位移(red shift),其值隨星球距離之增加而加大。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。

這無可避免的結論是:宇宙正處於一種正在膨脹中的狀態!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!如果愛因斯坦在1917 年時不追隨風尚,硬是相信其相對論的結果,再次大膽地做宇宙膨脹(或縮收)的預測,其大名相信將又再次在全世界各大報章雜誌出現!可惜啊!怪不得他自嘆謂那是他一生中所犯的最大錯誤(biggest blunder)!

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──甚至可能有出生與死亡。事實上早在1922 年,俄國數學家佛里曼( A . Friedman)就已用廣義相對論去建造膨脹宇宙之各種數學模型:他當年靜靜地發表了他的研究結果,這些模型到現在還是一直被用來做為討論宇宙論的基本理論架構。這些模型的兩個重要特徵是一、膨脹率隨時間縮小;二、雖然現在我們所觀察到的星群均相互越離越遠,但它們過去一定曾經非常接近過。依現在廣為大部分科學家所接受的「標準大霹靂宇宙論」(standard cosmological Big Bang model),現在的宇宙年齡大約是140 億年。

我們雖然對140 億年前的宇宙結構細節非常不清楚,但大部分的科學家均認為宇宙是由「一個時空特異點」突然大爆炸而出現的──雖然物理學家尚不知道可用於該特異點的理論。爆炸前的宇宙是處於一個高度均勻、非常高溫、及高輻射能密度的狀態;它爆炸後快速地膨脹而冷卻,於是基本粒子、氫、氦、離子電漿、冷氣體、星群、恆星、太陽及地球相繼出現,形成我們今日所看到的宇宙。大約在大爆炸後38 萬年時,輻射能的能量因宇宙膨脹而降低到不再足以使氫原子離子化,因此成了孤魂野鬼遊蕩在太空中。此一所謂的「微波輻射背景」(microwave background radiation)果然在1964 年被發現,成為支持宇宙大霹靂論的最有力實驗證據!

圖二:如果宇宙的生命只有140 億年,而其直徑卻至少在9300 億光年以上,那相距在140億光年以上的兩個不同區域,如何能 互通信息與能量而達到平衡(均勻)狀態呢?

標準大霹靂的幾個謎題

我們在前面曾提到大霹靂前的宇宙是均勻的;事實上,微波背景的數據顯示,現今的宇宙不但也是均勻,其均勻度更高達萬分之一。這均勻性當然是從大尺度來看的──正如桌面在顯微鏡下雖然凹凸不平,但在肉眼下卻是平滑一樣。可是為什麼這麼均勻呢?最簡單與合理的解釋當然是大霹靂後的瞬間即是如此。可是問題出來了:如果宇宙的生命只有140 億年,而其直徑卻至少在9300 億光年以上,那相距在140億光年以上的兩個不同區域,如何能互通信息與能量而達到平衡(均勻)狀態呢?當然,宇宙在大霹靂之初並沒有這麼大;可是前面提過,佛里曼之宇宙模型的一個特色是膨脹速率越來越慢,因此如果現在不可能互通信息,那以前(大霹靂後不久之時)更不可能了〔註四〕!

第二個問題是為什麼我們的宇宙,其空間幾何(geometry)是這麼的「平」(flat)〔註五〕呢?依廣義相對論,空間幾何的曲度(curvature)是取決於質量密度(單位體積內的質量和能量總和);因此如果大霹靂前的質量密度正好就是造成曲度為零之空間所需之值,那大霹靂後其曲度還是會保持在零值的。問題是:如果霹靂後的質量密度為臨界值的99.99%(誤差千分之一),則依大霹靂理論推算,現在的宇宙質量密度應只有臨界值的千億分之一!測量宇宙之質量密度當然不是一件簡單的工作,但所有的數據均顯示現在宇宙的質量密度誤差絕對沒有那麼大的!這意謂著大霹靂前的質量密度非常非常準確地正是造成「平」空間所須之臨界值──但怎麼那樣巧呢?

還有,到底是什麼促成了大霹靂呢?

宇宙論常數

1979 年十二月,美國基本粒子研究者古士(A. Guth)突然心血來潮,懷疑他的研究──超冷(supercooled)〔註六〕的希格斯場(Higgs field)──或許也適用於宇宙論。進一步探討的結果,他發現其超冷希格斯場所具有的能量及負壓(negative pressure)比,正與愛因斯坦強行加入其宇宙論的宇宙論常數一樣!我們前面提過此常數是愛因斯坦用來平衡重力相吸的人為常數,本來應該沒有什麼物理意義的!但從其在數學式子中所佔的位置,拉麥崔(G. Lemaitre,比利時牧師及天文學家,大霹靂論的創始者)看到了其所代表的物理意義:均勻地分布於空間的一種奇怪能量。愛因斯坦並未提出此一能量的可能來源,但分析顯示它絕不是我們所熟悉之電子、質子或輻射能等。

在牛頓力學裡,重力的來源只是質量;愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,能量也是一種質量,因此在廣義相對論裡,能量也會產生物質相吸的重力效應。事實上不只如此,廣義相對論裡還有第三種重力來源:壓力!更奇怪的是,如果壓力為正(類似容器內之氣體壓力),則可造成相吸的重力效應;如果為負,則可造成相斥的重力效應。後者的負內壓,正是愛因斯坦用來平衡相吸之重力,而達到靜態宇宙觀的方法!

膨脹宇宙論

古士的研究顯示,如果當初宇宙充滿了稱為膨脹子(inflation)的希格斯場〔註七〕,則在慢慢膨脹而冷卻下來時,這膨脹子可能被困在一能量不為零的非常不穩定之超冷狀態。此狀態的膨脹子因具負內壓,可以提供非常強大的排斥力〔註八〕,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,膨脹只維持了大約10^- 35 秒之久,而在這期間,宇宙膨脹率隨著時間而急速加快!此一巨大、迅速加速的膨脹不但能解釋為何現今的宇宙是如此的均勻;它甚至還告訴了我們現今所觀測到的宇宙,事實上只是整個宇宙中非常小的一部份!這又說明了為什麼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。哇!此一偶然發現一下子解決了宇宙大霹靂論的三大謎題!

在宇宙大霹靂理論裡,因為只有重力相吸的關係,認為除了大霹靂那瞬間外,宇宙的膨脹率一直都是隨時間而減緩的。古士的研究則認為大霹靂不是瞬間的,而是持續了大約10^-35 秒;不僅如此,他也認為在大霹靂的過程中,膨脹率是隨時間而急速越來越大的(圖三a),因此宇宙變得非常、非常的巨大!在大約10^-35 秒後,此一大霹靂才停止,膨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。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(圖三b)!天文學家稱此一改良的「標準大霹靂宇宙論」為「膨脹宇宙論」(inflationary cosmology),為現今絕大部分的科學家所接受的宇宙論。

圖三:宇宙的主要演進。(a)10-35 秒之「大霹靂」(膨脹率越來越大);(b)「標準大霹靂」理 論之大霹靂後的演進(膨脹率越來越小);(c)加速膨脹期(大霹靂後約70 億年開始)。

不止如此,膨脹宇宙論還解決了標準大霹靂宇宙論裡的一個頭痛大問題,即前面提過之霹靂前的質量密度必須非常準確地接近一臨界值,否則今日可觀測到的宇宙之曲度便不可能為零。膨脹宇宙論不但沒有這個要求,事實上它還預測了今日的宇宙質量(包括能量在內)密度應該非常接近此一臨界值!可是各種數據顯示我們今日所觀測到的宇宙,其質量密度大概只有膨脹宇宙論所預測之值的5%而已!

早在30 年代,就有美國加州理工學院科學家朱偉基(F. Zwicky)從星群的運動中,懷疑到宇宙中尚存有其他看不到的「暗物體」(dark matter)!科學家也像世人一樣喜歡追風隨俗,一旦有人提出「暗物體」,其存在的證據便開始排山倒海的出現,只是到現在還沒有人知道它到底是什麼「東西」!據估計,這些看不見的暗物體大約可以提供臨界質量密度的25%;加上可看到5%的已知物體,顯然我們還差70%,才可解釋為何我們的宇宙空間幾何是平的問題!

宇宙中的暗物體與暗能量

1998 年美國加州大學柏克萊分校(Berkeley)的波麥特(S. Perlmutter)團隊,澳洲國家大學(Australia National University)的施密特(B.P. Schmidt)與美國約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)的李斯(A. G. Riess)團隊,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(圖三c)!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 年的物理獎頒給這3位「大膽」的科學家。但牛頓重力只有相吸的作用,因此要解釋此一加速膨脹,看來又得求助於愛因斯坦的宇宙論常數了〔註九〕!

不錯,波麥特及施密特思考著:在大霹靂後,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!詳細分析加速資料顯示,他們所需之宇宙論常數之值所代表的質量密度正好是──信不信由你──膨脹宇宙論所在尋找的那70%!看來愛因斯坦的「宇宙論常數」是真的存在、而不是愛因斯坦所犯之最大錯誤了?!

可是如果真的存在,這現今被稱為「暗能量」(dark energy)的「愛因斯坦宇宙論常數」到底是啥「東西」呢?拭目以待吧,物理學家及天文學家正在努力地尋找此一充滿宇宙及必須具有負內壓的怪物呢:美國能源部、美國國家太空總署及美國國家科學委員會已於2005年成立「黑能量特別小組」,來負責此一工作。

如果真有暗能量存在,那是不是得改寫牛頓萬有引力及愛因斯坦相對論呢?幸運的是:由暗能量所造成的排斥力是與體積成正比的,在像太陽系這樣「小」的體積下,暗能量的效應是完全可以忽略不計的。

結 論

為了符合當時的靜態宇宙觀,愛因斯坦於1917 年強行地於其廣義相對論導出之宇宙觀中加入一稱為「宇宙論常數」的人為常數。1929 年,新數據顯示宇宙不是靜態,而是在膨脹中;愛因斯坦因而後悔當初為何不相信自己的推論,稱他那人為常數為一生中所犯之最大錯誤。80年代末,「膨脹宇宙論」卻藉助了宇宙論常數,解釋了當時廣為科學家所接受之「標準大霹靂宇宙論」中的3個謎題。90 年代末期,新的發現顯示現在宇宙的膨脹速率不是隨時間減小、而是加大,宇宙論常數又再次提供了解釋膨脹率加快所需之排斥力的來源──雖然我們還不知道那所謂的「暗能量」是啥!當然,我們也不知道愛因斯坦在天之靈是否還認為宇宙論常數是他一生中所犯的最大錯誤?

〔註一〕陳俊郎及林琦峰,「伽利略與異想世界-全球天文年開幕」,科學月刊, 2009 年1月號。

〔註二〕因E=mc^2 及質量會受重力之吸引,事實上愛因斯坦早在1911 年時就已預測光會受重力場彎曲;但其「彎曲值」只有廣義相對論之計算值的一半。

〔註三〕稱為「歐博斯謎題」(Olbers Paradox);內容詳見參考資料1 ,第164 頁。

〔註四〕我們可以用底下的例子來說明。A為膨脹1 秒後的原點,B 為膨脹2 秒後的原點;如果從O點發出的光正好於2 秒後抵達B點,因為光速為一定值,而OB < 2OA(膨脹速率越來越慢),所以在1 秒時,兩點間的距離雖然已為OA,但光線卻無法由O 達到A。

〔註五〕即我們中學所學的所謂「歐氏幾何」(Euclidean geometry)。在三度空間裡,我們很難感覺到「平」的意義。在二度空間, 平面的幾何就是「平」的;而球面雖也是二度空間,但其幾何不「平」;其三角形之內角和不等於180 °!

〔註六〕像在攝氏零下的水,本應結成冰,但也可能存在於不穩定之超冷水狀態。

〔註七〕此一希格斯場不同於在自發性對稱破壞時,使基本粒子取得質量之希格斯場,內容詳見參考資料2 。

〔註八〕為當初愛因斯坦用來「平衡宇宙」之常數的10^100倍!

〔註九〕宇宙膨脹加速的理論當然不止愛因斯坦宇宙論常數一種──但它無疑地是較廣為接受的。另一個認為暗能量是一種第五類物質的quintessence 理論,則認為暗能量密度不為定值(宇宙論常數裡的暗能量密度為定值,不會因為時間或宇宙膨脹而變)。

參考資料

  1. P. C. W. Davies ,賴昭正譯,《近代宇宙觀中的空間與時間》,新竹市,國興出版社,1982 年。
  2. 賴昭正,《量子的故事》,新竹市,凡異出版社,第二版,2005 年。

原刊載於 《科學月刊》第四十二卷第十二期

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愛因斯坦是第一個發現狹義相對論的物理學家嗎?
賴昭正_96
・2022/10/21 ・7324字 ・閱讀時間約 15 分鐘

  • 文|賴昭正/前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

自從數學家入侵(狹義)相對論後,我自己也搞不懂了。
——愛因斯坦(Albert Einstein),1921 年諾貝爾物理獎得主

在「畢業求職碰壁,在伯爾尼專利局思索的愛因斯坦」裡,筆者提到了 1905 年愛因斯坦在專利局一口氣寫了五篇諾貝爾獎級的論文,投到德國名雜誌《物理年鑑》(Annalen der Physik),創造了理論物理界的一個「奇蹟年」。愛因斯坦曾希望他在《物理年鑑》這傑出期刊上的大量論文能夠讓他擺脫默默無聞的三流專利審查員,獲得一些學術認可,甚至找到一份學術工作;但是事與願違,反應卻是非常冷淡。

正在絕望之際,愛因斯坦於 1906 年 3 月突然收到了一位物理學家的反應;令他驚奇的是:這位物理學家竟然不是別人,而是當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克(Max Planck)!

馬克斯.普朗克(Max Planck)。圖/維基百科

普朗克寫信告訴他說那篇題爲「關於運動物體的電動力學」(Zur Elektrodynamik bewegter Körper)論文「立即引起了我的熱烈關注」。在該論文出版後,普朗克立即在柏林大學講授相對論!由於他的影響,這個理論很快在德國被廣泛接受,並公開地為愛因斯坦理論辯護,反對一波又一波的懷疑論者,終於使這篇完全改變牛頓之時空觀念的論文與量子力學一起開創了近代物理學(詳見「除了發現量子力學,普朗克還有第二個重大發現是什麼?」)。

可是愛因斯坦真的是首位發現狹義相對論的物理學家嗎?

馬克斯威方程式:用簡單的公式解釋電磁學

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闡釋了當時已知的電磁現象。從那些簡潔的方程式中,他看出了原來的安培定律只適用於穩定的電流情況,因此人為地加進去一個現在稱為「位移電流」(displacement current)的項目!此「位移電流」不但解決了時變電場如何產生(誘導)磁場的問題(安培—馬克斯威定律),也讓馬克斯威看出電、磁本是一家人的對稱關係,使他成為第一位統合了自然界兩種不同作用力的科學家!也就是這一項令他在 1865 年導出電磁波的存在,並證明光事實上就是一種電磁波!

詹姆士.克拉克.馬克士威(James Clerk Maxwell)。圖/維基百科

這現在所謂的「馬克斯威方程式(Maxwell′s Equations)」事實上有一個很大的問題:與具有 300 多年歷史之牛頓力學衝突!在牛頓力學裡,速度是「相對」的;但馬克斯威方程式中卻包含與光源運動無關的「定值」光速(讀者注意到沒:牛頓第二定律公式只含加速度、沒有速度)!因此儘管後者在解釋電磁現象的成功是無可置疑的,不少理論物理學家還是想修正它使其能容於牛頓力學;其中最著名的就是眾所皆知的:認為空間充滿了絕對靜止的「以太」,「光速為定值」就是相對於這一固定的「以太」而言——這不但解決了光速問題,還使電磁波有個「機械」的基礎(像聲波需要靠空氣來傳播)。

於是實驗物理學家開始設計各種實驗來偵測這一「以太」或者地球在這一「以太」中的運動速度;不幸的是各種實驗都是空手而歸:偵測不到地球在「以太」中的運動速度(其中最著名的就是 1887 年之麥可森—莫利(Albert Michelson and Edward Morley)實驗)。於是理論物理學家就開始尋找各種理論來解釋這些失敗的原因……。

其中「最簡單的解釋」是:馬克斯威方程式適用於在「以太」中做等速運動的任何慣性系統(inertial frame)——稱為「相對性原理」(principle of relativity)。

相對性原理——伽利略

法國數學、物理、工程、哲學家龐加萊(Henri Poincaré)於 1904 年將「相對性原理」定義為:根據該原理,物理現象的定律無論是對於固定的觀察者,或等速平移運動的觀察者,都應該是相同的;所以我們沒有、也不可能有任何方法來辨別我們是否正在做這樣的運動。

事實上早在 1632 年,伽利略(Galileo Galilei)在「關於兩個主要世界系統的對話」(Dialogue Concerning the Two Chief World Systems)中,即已明確地闡述這一原理。正是因為這一個原理,所以我們沒有感覺到地球自轉及圍繞太陽運行(加速不夠快,所以大約是一個慣性系統);因此不管你什麼時候在台北或北京做實驗,所得到的結果或定律都應該是一樣的。

伽利略.伽利萊(Galileo Galilei)圖/維基百科

到了 19 世紀末、20 世紀初,物理學家已經完全接受這一原理。在數學上,他們謂牛頓力學定律必須符合「伽利略坐標轉換」(Galilean transformation)公式:物理定律不應因從甲坐標轉換到另一慣性系統之乙坐標而改變。馬克斯威方程式不符合這一坐標轉移,因此上面所提到的「最簡單的解釋」顯然不對!所以光速為定值還是一個謎。

洛倫茲與龐加萊

洛倫茲(Hendrik Lorentz, 1902 年諾貝爾物理獎得主)毫無疑問是十九世紀下半葉和二十世紀上半葉最偉大的物理學家之一。由於測不出地球在以太中的運動,洛倫茲提出理論謂:設備通過以太時,可能導致設備在運動方向上沿其長度方向收縮(空間收縮)。他進一步假設運動系統的「局部虛擬」時間[註1]也必須相應地改變(時間膨脹),導出了馬克斯威方程式必須符合的「洛倫茲(坐標)轉換」(Lorentz transformation)公式。

事實上龐加萊在 1898 年時即已意識到:「科學家必須將光速的恆定性作為一個假設,才能為物理理論提供最簡單的形式。」在相對性原理或洛倫茲轉換的物理解釋,龐加萊的貢獻至少比愛因斯坦早了 5 年;而在其它方面,他們的許多貢獻則可以說是同時發生的:例如不少科學家認為龐加萊 1905 年 6 月在法國科學院所宣讀的「關於電子動力學(Sur la dynamique de l’électron)」)刪節版,似乎「預見」了愛因斯坦 1905 年的相對論。

朱爾·亨利.龐加萊(法語:Jules Henri Poincaré) 圖/維基百科

愛因斯坦

1905 年,愛因斯坦在題為「關於運動物體的電動力學」的論文引言裡,開宗明義地謂「不要爭辯」光速了:

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前者不調和(irreconcilable)的公設,即光是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[註2]。 這兩個假設足以(讓我們)透過適用於靜止物體(狀態)之馬克斯威理論,導出一個簡單且不矛盾(consistent)的電動力學理論。

然後開始討論「運動學」,以光在任何等速坐標中都相同為出發點,用簡單的數學討論同時性的定義、關於長度和時間的相對性、從一個固定系統到另一個系統的時間與空間之坐標轉換理論、運動剛體和運動時鐘方程的物理意義、及速度的組成(相對運動的速度相加)。在這一章節裡愛因斯坦不需任何極端近似,就能推導出「洛倫茲轉換方程式」、時間膨脹(time dilation)、「洛倫茲—傅玆久拉空間收縮」Lorentz-FitzGerald contraction)等等學物理的都耳熟能詳想的的觀念。

第二章「電動部分」所用的數學就複雜多了。愛因斯坦在這裡將新的空間和時間理論應用於馬克斯威電動力學,證明電場與磁場是一物的兩面,因運動者的觀點而不同;馬克斯威實際上是遵循慣性運動的相對性原理:但因為我們一直認為空間和時間具有牛頓性質,而不是狹義相對論,故我們沒有注意到它而已。

狹義相對論的關鍵是同時性的相對性,只有在相對運動速度很小的情況下,牛頓的絕對時間和空間觀念才能(近似地)適用。所以原來是牛頓力學,而不是「馬克斯威方程式」錯了!所以愛因斯坦在該論文的最後一節裡「修正」牛頓第 2 運動定律,得到電子[註3]的動能:

式中 v 為電子的運動速度,m0 為電子的質量。愛因斯坦只指出「(所以)大於光速的速度……,沒有存在的可能性」[註4]

所以,到底是誰發現相對論?

德國物理學家郭夫曼(Walter Kaufmann)可能是第一個注意到愛因斯坦這篇論文之一的人:1905 年,他比較了洛倫茲和愛因斯坦的理論,謂大部分的物理學家可能會較喜歡後者的方法,但他認為這兩種理論在觀察上是等價的,因此他把相對性原理稱為「洛倫茲—愛因斯坦理論」。

這算是客氣的了!1953 年,英國數學、物理、歷史學家魏達克爾(Edmund Whittaker)爵士在總體評價上是正面的「以太和電理論史」(A History of the Theories of Aether and Electricity)一書中聲稱:相對論是龐加萊和洛倫茲的創造,愛因斯坦的貢獻並不大。

「以太和電理論史」(A History of the Theories of Aether and Electricity)一書出版於 1910 年。圖/維基百科

事實上我們應該放棄優先權的無意義爭論,探討不同方法之間的異同才能看出愛因斯坦的貢獻。愛因斯坦徹底消除了在物理學中沒有任何作用的以太,以光在任何等速坐標中都相同為出發點,探討了「同時」、空間、和時間的相對性。相比之下,龐加萊認為以太是一種定義了「真實」空間和時間的特殊參考系統,其它框架中測量的空間和時間則只是「表面的」。 愛因斯坦從他的兩個假設,用最少的數學知識,導出了當時需要幾個極端近似的洛倫茲轉換式;而龐加萊則因這樣的轉換可使馬克斯威方程式保持不變,而「被動地」反向導出這些轉換。愛因斯坦的論文不是因為要解釋實驗結果而東拼西湊出來的,它是「從公理開始,然後從中進行推論……」的美麗又簡單的理論。從他的假設中準確地推導出了當時需要幾個極端近似才能得到的結果。

洛倫茲在十年後終於完全意識到他自己的論點和愛因斯坦的論點之間的區別,謂「如果我現在必須寫最後一章,我當然應該給愛因斯坦的相對論一個更突出的位置……。(他的)運動電磁現象理論系統具有我無法達到的簡單性。」儘管如此,洛倫茲(1853~1928)從未接受愛因斯坦的相對論觀點——這讓愛因斯坦非常傷心,因為洛倫茲是他最敬佩的四位物理學家之一(其他三位是伽利略、牛頓、馬克斯威)。

愛因斯坦與洛倫茲於 1921 年的合影。圖/維基百科

閔可夫斯基時空

愛因斯坦在那篇論文裡一共提了 15 次的「空間」,但從來沒有將它和「時間」連在一起,所以他當時應該沒想到在他的新運動學裡,空間和時間處於完全相同地位。將時間和空間組合成一個現在稱為「閔可夫斯基時空(Minkowski space或spacetime)」之嶄新觀念的功勞歸於他在蘇黎世聯邦理工學院就讀時的數學老師閔可夫斯基(Hermann Minkowski)。這一新觀點奠定了相對論的數學基礎,完成了近代物理學家所熟悉之(狹義)相對論形式[註5]

愛因斯坦在理工學院就讀時,常常表現出一副無所不知的態度,不但很少注意閔可夫斯基的課,也常翹課,因此閔可夫斯基稱他為「懶狗 (lazy dog)」。愛因斯坦發表相對論後,閔可夫斯基評論道「我真不敢相信他能做到」。而愛因斯坦則一開始就反對閔可夫斯基所提之時空為一體的新觀念;在他第一次聽到它時甚至貶低它,謂那是「多餘的博學」,並抱怨「自從數學家入侵相對論後,我自己也搞不懂了」!誰又想到如果不是這一新觀念及其數學,他後來的廣義相對論將永遠發展不出來!

1908 年 9 月 21 日,閔可夫斯基(已經被挖角到德國哥廷根大學)在第 80 屆德國自然科學家和醫師大會上的演講謂:

……,擺在你們面前的空間和時間觀是從實驗物理學的土壤中產生的,因此蘊含著它們的力量。它們是革命性的(radical)。 從此,空間本身和時間本身注定要消逝於虛無之中,唯有兩者的某種結合才能保持獨立的現實。

在閔可夫斯基時空裡,單獨的空間和時間都不再是絕對的,而是因觀察者的運動狀態而異;但一體的時空則還是絕對的(詳見「牛頓的水桶」),比如所有觀察者測量得到的「兩點時空之距離」都是相同的。

有兩件事似乎說明了閔可夫斯基獨立地得出了愛因斯坦的狹義相對論和時空概念:

  1. 閔可夫斯基不可能那麼快的就於 1908 年報告、並發表 59 頁的成熟四維時空物理學,其內容充分地顯示了他對所有實驗都未能檢測到相對於絕對空間之均勻運動的原因有最深刻的理解;
  2. 他的學生玻恩(Max Born,1954 年諾貝爾物理獎得主)的回憶也證實閔可夫斯基獨立地在思考平面時空物理學。玻恩回憶說:在 1905 年初夏的一次內部研討會上,閔可夫斯基「偶爾提到」他的時空研究;「(但)因為他希望先弄清楚其所有輝煌的數學結構,因此沒有(提早)發表它們」,而讓愛因斯坦搶得先機。」

結論

從上面的分析看來,愛因斯坦那篇文章所討論到的幾乎都「古已有之」[註7];因此像普朗克波思(Satyendra Bose)一樣,愛因斯坦可能根本沒想到該篇電動力學論文是「革命性的」。知己莫若己,1905 年,在寫給好友哈比希特(Conrad Habicht)的信中,他只說「第一篇涉及輻射和光的能量特性,非常具有革命性:……第四篇論文現在還只是一個粗略的草稿,它是對時空理論進行修改之運動體的電動力學。」以「馬後砲」之明來看,第一篇光量子的假設只是量子力學發展中(或許是很重要)的一個螺絲而已,但第四篇相對論則是一下子推翻了三百多年古典物理中的時空觀念,讀者說那個具有革命性呢?所以愛因斯坦真的知道他發現了革命性的相對論嗎?

愛因斯坦解釋廣義相對論的手稿。圖/維基百科

後記

1915 年,愛因斯坦又發表了後來讓他一夜成名的廣義相對論,改寫了牛頓萬有引力理論;但也好事多磨,曾發生與非常傑出的數學物理學家、閔可夫斯基好友希爾伯特(David Hilbert)[註6]爭吵發現廣義相對論之頭銜。愛因斯坦也沒有因廣義相對論而獲得諾貝爾獎;他之獲得諾貝爾獎主要還是因他那自認為「非常具有革命性」的論文。

爭論如此之多,愛因斯坦為什麼要發表相對論呢?知己莫若己,且聽他道來:「我有時會問自己,我是如何發展相對論的。我認為其原因是:一個正常的成年人從不去思考空間和時間的問題——這些都是他小時候就想到的;但我的智力發育遲緩,因此長大後才開始思考空間和時間。」什麼?愛因斯坦發育遲緩?怪不得筆者曾為文謂愛因斯坦其實沒那麼神?反觀筆者自己,小時候從沒想過空間和時間,長大後也只知「生活空間」及「善用時間」而已,真是白痴一個!

註解

  1. 在愛因斯坦發表相對論之前,一般物理學家都認為只有一個絕對的時間。
  2. 愛因斯坦從來沒有說明為什麼要第二個光速為定值的假設,因為這似乎是多餘的:如果馬克斯威理論謂光速在一(靜態)體系內為 c,那麼依照第一個「相對性原理」的假設,在任何其它慣性坐標體系內的光速不應也是 c 麼?在網絡上有許多猜測與討論,但筆者認為是因為當時馬克斯威理論尚不容於古典之故。又,光速是一個實驗可以測出來的物理量,怎麼可以「假設」呢?
  3. 因為可以假設物體帶有非常微量的電荷,所以愛因斯坦大膽地認為其結論適用於「所有物體」。
  4. 當電子的運動速度比光速小多時,該公式就得回牛頓的動能公式。該公式暗示電子的質量會因運動而增加,因此在網路上可以看到許多誤認為該文提出了「質能相等」的觀念(洛倫茲等人也早就「暗示」了)。事實上愛因斯坦在該文中從未提及這些字眼;而在幾個月後又發表了一篇短文,從該公式推導出「物體的質量是其能量含量的量度:如果能量變化為 L,則質量在相同意義上的變化為 L/c2」,但也沒提及「質能相等」的觀念——儘管如此,物理學家還是將提出 E=mc2 的功勞歸於愛因斯坦(詳見「愛因斯坦其實沒那麼神?」)。這篇短文事實上一開始就在邏輯上受到批評,而第一位批評的不是別人,竟然正是「發掘」他的普朗克!
  5. 正像波爾(Niels Bohr)等人在普朗克及愛因斯坦之後完成了近代物理的量子力學一樣(詳見《量子的故事》)。
  6. 正是他將閔可夫斯基挖角到德國哥廷根大學,使得該校成為當時全世界之數學物理學重鎮。可惜閔可夫斯基英年早逝,1909 年元月,正當相對論起飛時死於急性盲腸炎,時年才 45 歲。
  7. 不少物理學家及歷史學家都認為如果要發諾貝爾相對論獎,則除了愛因斯坦外,也應該包括洛倫茲及龐加萊。

延伸閱讀

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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洞窟裡的宇宙!拉斯科壁畫上的生命歌賦──《人類大宇宙》
遠流出版_96
・2022/10/18 ・4576字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 作者 / 喬.馬錢特博士(Dr. Jo Marchant)
  • 譯者 / 徐立妍

世界共通的圖案——卯宿星團

綜觀歷史,世界各地的藝術作品上經常出現有趣的點狀圖案,數量各有不同,但通常都是六個圓點形成緊密的團體,四個為一排、兩個為另一排;這樣的主題在世界各地的社群中都出現過,從美洲納瓦荷部落的葫蘆形搖鈴上鑽出的孔洞,乃至於西伯利亞薩滿巫師鼓上的繪畫,甚至還出現在日本汽車製造商速霸陸的商標上。

所有這些例子當中的圓點所代表的是夜空中最具代表性的景象:昴宿星團,這一團六、七顆星星(確切數量會依觀看條件有所不同)看起來相當接近太陽每年在空中行經的軌跡,而成為了許多神話與傳說中的主角:在切羅基神話中,這些星星是走失的孩子;維京人將這些星星當成女神芙蕾雅的母雞。這些星星也是金牛星座中相當顯著的組成,昴宿星團就坐落在天空中這頭牛的肩膀上方,再加上向外突出的牛角,紅巨星畢宿五就是明亮的牛眼,還有另一群星星畢宿星團則在牛的臉面上散落成一個V字形。

  

卯宿星團。圖/envato.elements

這六點形成的圖案經常出現,表示昴宿星團在世界各地的社會中相當重要,也傳達出人類想要在藝術上呈現星空各種面向的共通渴望。但是這個故事還不僅如此,有另一個例子也畫出了這些點點,但老實說似乎是不可能出現的。在法國西南部的拉斯科洞窟(Lascaux)最出名的,就是洞內豐富的舊石器時代藝術:描繪動物的壁畫及雕刻,認為已有兩萬年歷史,是人性初現的象徵。幾十年來,學者不斷爭論這些作品的意義,同時卻很少有人注意到,在洞窟龐大入口空間的頂部有六個簡單的點,完美契合昴宿星團的位置,以紅赭色仔細畫下這些點,漂浮在一頭壯碩的原牛肩膀上方。

這頭原牛被稱為「第十八號公牛」,有五.二公尺長,是整個洞窟中最大、或許也是最容易辨識的壁畫,與現代的金牛座形象之間有驚人的相似性,甚至在臉頰上還有V字形點點,已經被發現多年,但在導覽手冊上卻沒有提及,主流考古學家也鮮少討論。金牛座是最早出現記述的星座之一,文字紀錄可以追溯至將近三千年前觀測天象的巴比倫祭司,祭司將昴宿星團看成了天上公牛背上的鬃毛。但其真正的起源會是拉斯科這個應該還相當原始的狩獵採集部落所創作的星圖嗎?與其說學界否定了這個想法,應該說根本沒討論過其可能性。

拉斯科洞窟的公牛壁畫/wikipedia

然而,過去幾年來,人類學、神話學和天文學等領域的專家開始主張,應該徹底重新評估我們在舊石器時代祖先的技巧,以及他們訴說的故事有多麼長遠的影響力。這裡要說的就是人類與星空關聯的歷史,那麼就從第十八號公牛的謎團開始吧,我們將會探討拉斯科的藝術家是否真的能夠畫出星座,也要問問為什麼他們會如此關心天空。這趟旅程會引領我們直往核心,認識這群最早擁有想像力、記憶力、解釋及表達能力的人類,宇宙對他們來說有何意義,而他們所創造的宇宙觀仍影響著我們今日的生活。

重見光明的壁畫

一九四○年九月十二日,十七歲的實習技工馬塞爾.拉維達(Marcel Ravidat)和三個朋友一起到村莊附近的山丘散步,村莊位於法國西南部的蒙蒂尼亞克(Montignac)。村莊裡流傳著這片山丘底下有洞窟,法國大革命之後的一波處決潮中,附近一處莊園的主人也是修道院院長拉布魯斯(Labrousse)據說就藏在其中一個洞窟,而拉維達則異想天開地認為其中可能藏著寶藏。幾天前,他在地面上發現了一個洞,或許有機會一探,並開始清除障礙物,這一次他帶著一把刀和一盞拼湊出來的燈,打算要完成這項工作。

這些男孩的目標是地面上一處臉盆狀的凹陷,周圍長著松樹和杜松,到處都是荊棘灌木,盆底有一處小開口接著一道狹長、幾乎垂直的通道。男孩們清除了荊棘(居然還有一頭驢子屍體),然後徒手將洞口挖寬到將近三十公分。他們往下丟石頭,發現石頭滾動了很長時間而且還有回聲,感覺相當驚訝。那些荊棘底下藏著什麼龐大的東西。

拉維達是這群人當中年紀最大也是最強壯的,他頭下腳上鑽了進去,匍匐在土裡爬了幾公尺後,便掉在一堆尖尖的泥土和石頭上。他點起燈,這是他用一顆滑脂泵加上一條線做成的,但他幾乎馬上就失去平衡,一路滑到底部。他發現自己處在一片寬闊的空間裡,大約有二十公尺長,便出聲叫朋友跟著下來。

他們在近乎一片漆黑中穿過石灰岩洞穴,避開地上的淺水坑,最後抵達一處狹窄的走道,上頭拱起的頂部距離相當遠,就像教堂穹頂。一直到了這裡,拉維達才舉起燈,男孩們便發現了寶藏。在白色的牆壁上覆滿了爆發的生命,從我們的物種誕生便出現的圖像,經過兩萬年後終於再次重現世人眼前。

首先,他們注意到有顏色的線條以及怪異的幾何圖像,然後拿著燈往四處一照,便看到了動物,到處都有金色的馬配上黑色鬃毛,同時還有紅黑相間的公牛、山羊,以及一頭鳴叫的長角雄鹿。一群群動物躍然牆上,跟著跳上了洞窟頂部,有些線條明確而顏色繽紛,也有些形象模糊,彷彿是從霧中掉出來似的。這些男孩還不明白自己發現的東西有多麼重要,但他們知道這很特別,於是在搖曳的光線中又跳又叫地慶祝著。

拉斯科洞窟上的萬物奔騰/wikipedia

拉斯科洞窟(以鄰近的那座莊園命名)如今名列歷史上最壯觀的考古發現之一。在法國南部及西班牙北部有上百個洞窟,拉斯科是其中一處,洞窟中的裝飾可以追溯至三萬七千至一萬一千年前。這些藝術家從解剖學來說已經是現代人類,他們在上一次冰河期間,大約是四萬五千年前首先從非洲遷徙到歐洲。這段時期稱為舊石器時代晚期,以此時所使用的石頭工具命名,而人類的創造力似乎也在此時有爆發性的成長。其他地方也發現大約同一時期的岩石壁畫,像在印尼及澳洲都有,這項活動的起源幾乎可以肯定還更早就出現在非洲。不過,多虧了其複雜性、細膩的保存手法以及繪畫雕刻的數量驚人(近兩千幅),拉斯科是當中最為精細的遺蹟。

眾說紛紜的解讀

這裡的藝術家使用以植物製成的刷子或者髮束,顏料則是鐵礦和錳礦、高嶺土及炭條,畫滿了深達一百公尺的石窟內所有通道及穴室。他們的創作讓我們得以一窺史前人類的心智,實屬難得,也美得令人魂牽夢縈。這些先民是誰?他們關心些什麼?是什麼讓他們想要創作藝術?實質上,是什麼讓他們發展出人性?

自從男孩們發現此地後的幾十年間,學者針對這些問題提出了各種令人目不暇給的答案。早期有人認為這些神祕的圖樣只是裝飾,「為了藝術而藝術」,沒有什麼特別的意義;另一派則認為這些動物代表不同的部落,這些繪畫描述的便是部落之間的戰役及結盟。有些專家認為這些繪畫的用意是施法的咒語,是為了提升狩獵遠征的成功率或驅除惡靈。在一九六○年代,學者採取了統計學的方式,記錄下不同類型的圖樣在洞窟內的分布情形,並且根據他們看到的模式建立理論,例如馬和野牛就象徵著男性和女性身分。

然後,諾伯特.奧祖拉特(Norbert Aujoulat)出現了,他對這些繪畫的了解或許比任何人都更加親密。他十分熱中於洞窟研究,自述為「地底人」,經常獨自遁入法國山區,一去就是好幾天,也協助發現了十幾處地底洞室。但他一直沒有忘記自己初次見到拉斯科的時候,那是在一九七○年一個冬日下午,自從發現洞窟之後便開放大眾參觀,但後來又關閉了:每天上千名遊客所呼出的氣息,再加上他們帶入的細菌,都損傷了珍貴的壁畫。當時二十四歲的奧祖拉特就在當地讀書,參加了賈克.馬叟(Jacques Marsal)的私人導覽行程,馬叟正是三十年前發現這個洞窟的四名好朋友之一。

為了抵達壁畫所在之處,馬叟帶著他們走下一道斜坡,通過一連串為安全而建造、由石塊堆砌成的入口廳堂及門廊,這讓奧祖拉特感覺他們恍若正要前往神廟內部的神聖空間。最後一道門是以沉重的青銅鑄成,裝飾著光亮的石頭,奧祖拉特只花了半個小時探索在門後的寶藏,但已經足以決定他人生的道路,他完全入迷於洞窟內那股強烈的人類存在感,強大到能夠穿越數千數萬年,於是他立定目標,志要理解這些壁畫創作的方式與原因。

奧祖拉特花了將近二十年才得以完成自己的夢想。一九八八年,他成為法國文化部洞窟藝術局的局長後,便展開研究拉斯科洞窟長達十年的龐大計畫,從環繞著入口洞室頂部的大型公牛,到一處稱為半圓形後殿的較小洞室中密麻交纏的雕刻圖案。其他學者都將焦點放在藝術上,奧祖拉特卻是以自然科學家的身分看待拉斯科,從各個面向研究這個洞窟,包括石灰岩的地質學乃至牆上動物的生物學,他下了結論,認為其他人都忽略了一個關鍵面向:時間。

壁畫上的時節週期

他在研究馬、原牛和雄鹿等一同交疊出現的圖樣時,發現每一次都是先畫上馬、然後是原牛,最後才是雄鹿。而且,這些動物總是顯露出對應著一年當中特定時節的特徵:馬匹身上厚重的毛皮及長長的尾巴對應著冬天尾聲;原牛則是在夏季當中,然後雄鹿頭上突出的鹿角是秋季時才有的特色。對每一物種來說,都正值交配季節。

奧祖拉特在二○○五年出版的《拉斯科:動作、空間與時間》(Lascaux: Movement, Space, and Time)一書中描述了自己的發現,他認為壁畫繪製出重要動物的生育週期,可以理解這個洞窟是一處靈性的聖地,用意是象徵創造以及生命的永恆節奏。不過,這些繪畫所呈現出的創造週期並不僅是代表了俗世上與動物、天氣相關的主題,還能延伸到整個宇宙。

當然,年復一年發生在石器時代世界中的生命再造,也能反映在星象週期上:以太陽的路徑及夜空中出現特殊星座來標記每一季節。奧祖拉特相信,這就是藝術家觀點的核心。他認為,這顯示出生物及宇宙時間是相互糾纏在一起的,將洞窟頂部高懸的牆壁及整片頂部的壁畫比擬為「蒼穹」,並且提出論點說這些動物並非呈現在地面上,而是於天空裡。

這點可以解釋為什麼這些動物經常看起來像是飄浮著的:從各個角度繪成、看不見任何地面線條,有時甚至還高懸著腳蹄。如果奧祖拉特是對的,拉斯科洞窟不僅表達出生物學,同樣也表達出宇宙學:這些藝術家並非在模仿身邊所見的環境,而是將一切定義了他們存在的變化,無論是地上的或在天上的,都揉合在一起,可以說這就像一首歌頌他們宇宙的歌賦,呈現出人類最早對於宇宙本質及生命起源的認知。

奧祖拉特處於法國學術機構的核心,而他的研究成果具有相當大的影響力,但即使如此,卻很少有人討論他對天空的概念。在缺乏直接證據的情形下,考古學家認為,與其將這些繪畫視為對天空的觀點,當成歌頌自然的作品要容易多了。不過仍有一些學者認為奧祖拉特的論點還不夠大膽,拉斯科的藝術家不僅僅是想像天空上的動物,更繪製出天上的星圖。

———本書摘自《人類大宇宙》,2022年 9 月,遠流出版。
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宇宙如何影響我們的文明?星空信仰下的人們——《人類大宇宙》
遠流出版_96
・2022/10/17 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 作者 / 喬.馬錢特博士(Dr. Jo Marchant)
  • 譯者 / 徐立妍

宇宙最初的光芒

將近一百四十億年前,一切自虛無中霹靂而生,我們的宇宙從一個熾熱、壓縮又微小到無法想像的小點中迸發誕生,接著幾乎是在一瞬間便往外膨脹,形成太空的這個空間以超過光速的程度急速擴張,一直到所有存在的物體大約成為一顆葡萄柚的大小。

然後,宇宙持續擴張、冷卻,接著形成了最初的物質,就在那第一秒內,中子、質子、電子、光子、中微子等各種粒子組成的高密度團相互推擠,形成一股驚人而熾灼的熱,散發出有如霧般的光。宇宙生成大約三十八萬年後,這顆泡泡已經擴張到幾千萬光年以外的地方,並且冷卻到了幾千度左右,這樣的溫度足以讓原子組合在一起,宇宙第一次透出了光。

一開始只是一閃即逝的光,然後黑暗再度籠罩,還要再過幾千萬年,重力才能夠吸引住稍有密度的各種物質,粗暴地將一團團氣體碰撞在一起,形成最早的星星及星系,就這樣,天空的燈光一個個亮了起來。

大霹靂(Big Bang)。圖/envato.elements

大多數的宇宙學入門大概都會以自己的方式描述這一連串事件,但謎團仍未解開:大霹靂(Big Bang)真的是一切的開端嗎?或者我們的宇宙只是在另一個更大的多重宇宙中一顆不斷膨脹的泡泡?宇宙會永遠擴張下去嗎?或者到最後會在一次大擠壓中再次崩塌?不過,眾人都能同意宇宙的普遍性質及宇宙是怎麼回事,目前已經揭露的事實是,這是一台龐大且精細的機器,由物理粒子組成,並且其中的作用力也依循著數學方程式及法則。

仰望星辰的人類歷史

這本書要說的是不同的故事。宇宙的科學解釋是我們現代文明的巔峰,如此擲地有聲的見解足以消弭其他所有不同看法。研究宇宙的宇宙學曾一度被形容為在哲學及精神層面上的廣泛追尋,要找出人類存在的意義,要問我們是誰、我們在哪裡、我們為何在此地,如今卻是數學天文學的一個分支。那麼,那些大哉問怎麼了呢?我們對於宇宙已經沒有其他什麼需要知道的嗎?

這本書並不是要詳細描述最新的天文學進展,是要介紹長久以來,人們從星辰收集到的知識歷史,是關於人們的宇宙觀如何讓他們認識了現實的本質及生命的意義;關於我們已經捨棄的那些神祇與靈魂、神話與神獸、宮殿與天體;關於科學觀點如何成為主流,而這段路程又是如何形塑今日的我們。這是一段關於人的故事,講述了祭司、女神、探險家、革命家和君王,故事並非由大霹靂開始,甚至也不是由科學的誕生開始,而是由最早抬頭望向星星的人類開始,以及他們在天空中找到的答案。

為何要在乎過去對天上的信仰?考古學家和歷史學家通常不會如此。我們知道,科學是立基於試圖理解天堂的念頭,不過學者要更全面追溯人類歷史進展時就鮮少以此為焦點,我認為此舉對於我們要理解自己從何而來造成了巨大的盲點。事實上,人們在天空中所看到的模式一直都主宰著人們在地上生活的方式,形塑了對於時間與空間、權力與事實、生與死等概念。
我們在古老的過往中便看見這一點:執著於日食的巴比倫人;建造金字塔以引導靈魂前往星星所在之處的埃及法老;在太陽旗幟下奮戰的羅馬皇帝。對宇宙的概念也形塑了現代世界,即使我們忘記這些影響力的根源,卻也已經深植在社會當中,存在我們的國會、教堂、藝廊、時鐘與地圖裡。從基督教的誕生,乃至歐洲的探險及主宰星球,其中核心的影響力正是對太陽、月亮、星星的信仰,他們指引著不羈的立法人員創建了民主與人權原則、引導經濟學家建立資本主義所仰賴的框架,甚至指示畫家畫出了第一幅抽象畫。

捷克布拉格舊市政廳天文鐘。圖/envato.elements

今日光害籠罩著我們的星球,星星幾乎消失了,過去在黑暗的夜空中能看見上千顆星星,但今日在城市裡的我們只能看見幾十顆。天文學家擔心,就連這些很快也會遠遠不敵人造衛星的數量,在美國和歐洲的大多數人根本再也看不見銀河。看著自然遺產這樣逐漸消蝕實在是災難一場,我們與銀河系及浩瀚宇宙之間的連結也會就此消逝。沒有人為此群起大聲疾呼,大多數人只是聳聳肩,依舊盯著自己的手機,絲毫不擔心即將失去這片在歷史上其他每一種人類文化都視為必要的景象。

宇宙的本質與生命的追尋

但是,我們仍然努力想弄清楚我們在宇宙中的位置,科學在這方面的進展十分成功:今天一個五歲小孩比起幾千年前的古早文化更清楚物理宇宙的歷史、組成及本質,但是科學也將這些文化在生命中發現的意義拆解了大半,將個人經驗屏除在我們對現實的理解之外,取而代之的是時空概念抽象而數學化的網格。

地球從存在的中心被踢到了邊緣,生命被重塑成隨機意外的結果,而且也完全不管神明了,現在一切都能以物理法則來解釋。我們在宇宙秩序中完全不是什麼有意義的角色,而是如物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)所言,我們只是「化學渣滓」,存在於一個中等大小的星球表面,繞著一個沒什麼重要性的星球運行。

幾百年來不斷有人批評反對這樣冰冷機械式地解釋人性,過程中經常全盤否決科學的見解,一直到不久之前仍屬於禁忌話題,但現在即使是受人敬重的科學家也對此表達擔憂,他們認為或許物理物質並非宇宙全貌、並非我們的全貌;或許,科學只看見了全貌的一半。我們可以解釋星體與星系,但心智呢?意識本身呢?這些論戰逐漸形成一場世紀之戰,可能會改變整個西方的世界觀。

畫下戰線之後,我想我們必須換個角度思考,提出概述,因此這是一本關於宇宙的書,不是科學指南,是從人性出發。我不長篇大論地講述,而是選擇了十二個時刻,你或許也可以稱之為墊腳石,讓我們理解歷史上的人們是如何看待天空,尤其是這十二篇故事依循著西方物質宇宙觀點的崛起,爬梳這套宇宙模型如何主導我們的生活。這些故事從人類最早透過洞穴壁畫及巨石陣來表達人性開始追溯,途中講述了基督教、民主及科學等重要傳統的誕生,最後進行到追尋外星生命以及近來飛入真正的且虛擬的太空之旅。

這趟旅程能夠解釋今日的我們是誰,或許還能指引出未來的航道。所謂當局者迷,我們很難看見其極限,因此我希望拉遠距離去檢視人類宇宙信仰的深度歷史,或許有助於我們探索世界觀的界線,還可能看得更遠。我們是如何成為無意義的宇宙中被動的機械?這些信念如何影響我們生活的方式?而我們由此又能前往何方?

———本書摘自《人類大宇宙》,2022年 9 月,遠流出版。

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