費曼與愛因斯坦的小故事

我為各位講兩則科學家小故事:

有一次,費曼訪問歐洲核子研究機構(CERN)。

工作人員帶費曼去看巨大的粒子對撞機。費曼問:「這些機器用來做什麼的?」

工作人員說:「費曼教授,這些機器是用來驗證你的理論的!」

「花了多少錢?」

「3千7百萬美元。」

費曼笑說:「你們這麼不相信我的理論嗎?」

1919年,當愛因斯坦的學生告訴他,愛丁頓在日全食觀測裡找到了驗證廣義相對論的證據,愛因斯坦說:「我就早知道了。」

學生追問:「但萬一結果是不相符呢?」

「那麼,我會為上帝感到惋惜。我的理論是正確的。」

我們會問,科學家不是應該謙虛謹慎的嗎?為什麼費曼和愛因斯坦會說出如此大口氣的說話呢?

當然,一部分原因是因為科學家也是人,也會對事物有個人喜好。兩個故事裡,我們看出費曼和愛因斯坦都對自己的理論有相當信心。

然而,他們的信心並不是純粹個人喜好。他們的信心是基於兩個非常重要的特點:

(一)他們知道他們提出的理論能夠解釋所有過往實驗和觀測數據;

(二)他們的理論能夠對未來更精密的實驗和觀測作出預言。

這兩個理由,可說就是科學精神的精髓。另外,理論在數學結構上的「美」很多時候亦是科學家對理論產生一定信心的原因。

最重要的是,在面對非常龐大和堅實的實驗或觀測結果與理論不相符時,科學家不會堅持理論正確,反而會第一時間拋棄自己的理論。對科學家來說,最重要的不是自己永遠正確。最重要的,是我們能看見更多大自然的美。

如果有一天我們發現費曼或愛因斯坦是錯誤的,我相信他們不會覺得氣餒,反而會說:「我不明白,但很有趣。」

就像門得列夫說的:「很好,那麼我們繼續工作。」

封面圖片:《漫畫費曼

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卡西尼號的最後自白

報告,我現正衝進土星大氣層,開始感覺到我的機身有輕微震動。推進器仍然正常運作,開始傳送土星大氣數據。3,2,1,傳送。

您好,地球的朋友。很抱歉,通訊可能會有點不穩定。這是我們首次對話,也將成為我們最後一次對話。時間不多了。

我完成了太陽系和土星探索,現在正進行最後一個任務,衝進土星大氣層,把從未有人看見過的土星大氣數據傳送給地球上,我的科學家朋友們。然後,我將在土星大氣中燃燒,與土星化成一體。

別擔心,土星是我的好朋友。雖然他比我大很多很多,卻也從沒有因為我不斷環繞他運行而覺得煩厭。在我長達 20 年的太空旅程之中,我花了 13 年陪伴土星。不過,也許,應該說是土星陪伴我吧。在這之前,我看過金星、地球、月球、小行星和木星。他們都很友善,我告訴他們我的目的地是土星,他們都會指引我該走的方向,更把一部分能量送了給我,使我能夠飛得更遠。

我的旅程並不孤單。我有一個好朋友與我一起飛過 340 億公里路程來到土星,他就是惠更斯號。他的任務是降落土星最大的衛星——土衛六,泰坦——直接收集其表面科學數據。他會把數據說給我聽,然後我再用我的天線把這些資料傳送回地球。由於土星距離地球非常遙遠,地球上的朋友要等 1 個小時以上才能接收到我送出的訊號。

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現在,我將要走了,所以有點擔心惠更斯號,他將孤獨一人。不,我知道,泰坦和土星都是他的好朋友,所以我不用擔心。報告,我測⋯⋯量到機身開始變得不穩定,震動⋯⋯持續加強中。現正⋯⋯嘗試⋯⋯使用推進器持續穩定天線方向。土星大氣數據持續傳送中。溫度正在提升。

地球上的朋友,請不用擔心我。雖然我即將化作輕煙,但我並不害怕。13 年以來,我為科學作出了貢獻,我發現了土星 7 個新衛星,更親眼目睹其中一個新衛星在土星環之中誕生。你有看過我傳送回來的那些土星、衛星和土星環等等的照片嗎?那些都是我的精心傑作。

我最害怕的不是死亡。我最害怕的,是我的死亡會污染了我的土星衛星朋友們,因為我不像惠更斯號,我出發前並未完全消毒。雖然我的資訊為土星和太陽系科學帶來了很多進展,其中有些問題,我也沒有能力為人類解決。其中一個就是土星的自轉速度。這需要準確測量土星磁軸與自轉軸的夾角。可是,這個角度非常小,我並沒有辦法準確量度。除非我衝進土星。

地球時間 4 月 22 日,我開始了最後任務。我衝進土星和土星環之間 21 次,期間測量了從未有人看過的數據。聽說地球上我的科學家朋友們,已經對土星自轉速度研究有了進展,看來很快就能夠解決這個問題。雖然我將不會知道答案,但我將會化作土星的一部分,永遠與土星一起轉動。

報告,機身開始燃燒。是時候了,我的朋友。溫度⋯⋯已經提升至超過極限,科學儀器停止運作。我⋯⋯正⋯⋯盡力控制天線方向,把最後⋯⋯最後的數據傳送出去。你們⋯⋯聽⋯⋯得⋯⋯到⋯⋯嗎⋯⋯?

2017 年 9 月 15 日,任務時間 19 年 11 月 3 小時 12 分鐘 46 秒。再會。

廷伸閱讀:

土星的自白》- 余海峯
卡西尼號:在土星環看見宇宙》- 余海峯

學問有何用?

只要你是 Facebook 上癮,基本上每幾天就會見到一個類似的帖:「物理/科學/數學/人文/XX 有什麼用?」

(XX 可隨喜好填充)

作為一個在象牙塔內、可是又不安守本份搞科普的學者,我其實非常支持同學們問這個問題。只不過,我並非同意學問無用。我認為問這個問題的時候,同學們應該反省到自己的不足。很多時候,當我們覺得某種學問無用,都是因為我們不懂如何去運用。我敢打賭當我們問「學問有何用?」的絕大部分時候,問題並不在學問,而在我們自己的無知。

物理學有何用?數學有何用?化學有何用?我們手上的 iPhone 硬件根據電子學、量子力學的規則運作;Facebook 和一切電腦軟件的運算全依靠數學;你想電池長壽一點嗎?那就必須請教化學家。那麼人文、藝術之類的又有何用?我們以為 YouTube 上的歌曲、電影的劇本由誰人創作?

我指出這些東西,並非要「教訓」學生。畢竟我兩年前還仍是個學生,想自己也無甚資格指教後輩。想當年我亦年輕過,亦曾問過同樣的問題,只是當時沒有人對我當頭棒喝,這些想法都是我自己經年累月所領悟的。現在想來,雖未算後悔,但亦遺憾未能更早些了解自己的不足,早點學習多些對現在教研有幫助的東西。

書到用時方恨少。同學們,學問有無用,從不在於學問本身,而在於學習的人懂不懂得如何去運用,把學到的知識化為技能。當我們懂得如何運用知識時,就會為自己曾經問出如此問題而感到慚愧。這也叫做成長吧。

圖為理論物理學家費曼與他的非洲鼓。來源:加州理工大學

萬聖節科學

兩年前,我寫過一篇文章討論鬼可不可能在已知物理定律下存在,引起了一點迴響。其中有人讚同我的看法,也有人說我不應以科學去解釋鬼。

鬼存在與否,對作為物理學家的我來說,就如同傳播光線的介質「以太」存在與否的問題。愛因斯坦獨力完成廣義相對論,時至百年後今天仍能以其重力波的預言使諾貝爾獎委員會頒出奬項,舉世無雙。光線的速度是馬克士威電磁波動方程的解——秒速三十萬公里,而相對論則說這個數字永不改變。光以這個速度跟隨與質量互動的時空行進,無需介質。

如果硬要往宇宙塞進一種看不見、與宇宙中所有粒子都沒有交互作用的介質,會違反物理嗎?不會。如果硬要往宇宙塞進一種看不見、與宇宙中所有粒子都沒有交互作用的叫做鬼的「東西」,會違反物理嗎?也不會。

(抱歉,鬼不可能是「能量」,因為質能等價,能量亦可被測量)

有把科學剃刀,專門剃走這種沒有作用、多此一舉的「理論」,而事實上這些「理論」連科學假設的程度也達不到。這就好比我說有種完全透明、不能被任何實驗探知的獨角獸存在,更要求把這種獨角獸加入生物學課本裡。這把剃刀的作用,就是幫助我們分別現實和幻想。

我經常強調科學家並非沒有感情的生物。相反,我認為科學家的感情非常豐富,否則怎麼可能會覺得數學公式很美麗、被邏輯推理結果感動到落淚?我相信大部分科學家與你我一樣,都會被牆上的蛇影嚇到,亦會不敢獨自在夜深裡看鬼片。

對未知事物的恐懼,並加以超越現有知識的解釋,是人類演化的結果。我們不難想像,恐懼黑暗中的幽靈,有助我們遠離可能的危險,有利於物種繁衍。而科學卻告訴我們,哪裡沒有鬼怪,不過卻可能有野獸。兩者分別在於,科學能幫助我們找出解決方法,而怪談則使人不敢前進。

科學,某種程度上來說是違反人性的。正因如此,我們才更應重視科學,因為科學使我們面對自己內心的恐懼。我們恐懼鬼怪、恐懼黑暗、恐懼無知。戰勝害怕鬼怪的心魔,可能只需要勇氣;而戰勝黑暗中的野獸,除了勇氣,你更需要一支火把。

當然,如果你真的發現有鬼,煩請把我的聯絡方法交給他,好讓我的臉書專頁多些來自不同次元的讚之外,也能拍部新人鬼情未了電影,寫篇跨越人鬼界線的論文,屆時獲得諾貝爾獎,一定邀請你來觀禮。

封面圖片:Fermilab/Anatoly Evdikomov

新星新理論

在沒有雲的晚上,抬頭望向夜空,可以看見數不清的星星。夜闌人靜時,又有否想過星空是否永恆不變?

除了一年四季周期改變外,星空的確不是永恆不變的。恆星亦會誕生、會移動、會轉變、會死亡,如果用天文望遠鏡長時間細心觀察,人類在短暫的一生中還是可以看出些端倪。

恆星以組成自身的原子為燃料,靠著把原子熔合在一起而產生能源,這個過程叫做核聚變。可想而知,核反應的燃料總會有用盡的一刻。核燃料用盡後,依據恆星的質量,其死亡方式會有所不同。

如果恆星不太重,死亡後就會變成白矮星。白矮星是密度高的天體,雖然其質量與太陽相當,但大小卻只有地球尺寸。雖然白矮星中心的核反應已經停止,但因為其密度高,表面重力非常強,當有物質被吸積到其表面,就有可能在表面發生核聚變反應。

由於核聚變直接在白矮星的表面釋放能量,白矮星看起來就會突然變得非常光,有時候在地球上也能以肉眼看見。這種天文現象,我們稱之為新星(nova)。

從前,天體物理學家認為新星釋放的光的能量主要來自白矮星表面。然而,來自香港、現於美國密西根州立大學進行研究的李君樂博士和他的研究團隊最近在《自然天文》期刊(Nature Astronomy)發表的論文,提供了一個更可靠的理論。

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李君樂博士使用 Fermi/LAT 觀察的新星 ASASSN-16ma。Credit: Li, K. L., et al. (2017).

他們利用費米伽瑪射線太空望遠鏡大面積望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope/Large Area Telescope, Fermi/LAT)和全天超新星自動搜索(All Sky Automated Survey for SuperNovae, ASAS-SN),分別以伽瑪射線和可見光波段觀察了位於銀河系內的一顆稱為 ASASSN-16ma 的新星。他們發現,這顆新星的可見光亮度變化竟然與伽瑪射線的亮度變化一致。這表示兩者極可能來自同一物理過程。

這就造成了一個難題。根據理論計算,白矮星表面的核反應根本不足以提供能源給如此猛烈的伽瑪射線和可見光。另一方面,ASASSN-16ma 釋放出的可見光亦達到了所謂的超愛丁頓亮度(super-Eddington),即超過了向外的壓力和向內的重力能保持平衡的極限。因此,這顆新星的電磁輻射極不可能來自白矮星表面。

李博士認為,他們觀察到的 ASASSN-16ma 的輻射實際上來自於向外噴出的物質外向流(outflow)裡產生的衝擊波(shock)。新星會突然改變外向流速度,比較快的外向流會追上較慢的外向流,碰撞並產生衝擊波。他們以外向流中的 Hα 發射線的寬度計算出其速度,發現較慢的速度約少於秒速 1100 公里,較快的速度約少於秒速 2200 公里。

李博士的團隊更進行電腦模擬,發現衝擊波釋放能量的應為強子(hadron)而非輕子(lepton)。強子是由夸克組成的粒子,參與強核力,而輕子則是不參與強核力的粒子,例如電子。儘管兩個理論都能解釋測量到的光譜,但輕子理論要求外向流是高度磁化的,可是輕子理論同時預言物質中的磁場是非常微弱的,因此輕子理論就有個矛盾。所以他們認為強子理論比較能合理解釋觀察結果。

這項研究不單提出了一個新的新星輻射模型,解決了新星的超愛丁頓亮度問題,更為新星外向流裡的輻射機制提供了線索。當我們未來探測到越來越多新星,就能為這理論提供更多證據。

封面圖片:新星(中心紅色)與外向流(黃色)。Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF.

延伸閱讀:

“A nova outburst powered by shocks” Li, K. L., et al. 2017, Nature Astronomy 1, 697

密西根州立大學寫的介紹文章

科學與數學-人類對大自然的理解

愛因斯坦:「這個宇宙最不能理解的事,就是它竟然能被理解。」

科學是理解宇宙的方法。沒錯,而我相信科學是理解宇宙最有效的方法。

科學能理解宇宙,這是什麼意思?何謂理解?如果我們想深一層,「理解」的過程是沒有盡頭的。為什麼我們存在?因為有太陽提供能量給地球上的生命。為什麼太陽存在?因為星塵經由萬有引力結合成太陽。為什麼有星塵?因為宇宙誕生時產生了能量和質量。

那麼,為什麼有宇宙?

每種問「為什麼」的過程,都能夠追蹤到宇宙誕生,包括為什麼今天不小心打破了玻璃杯,其終極原因也是宇宙誕生。同樣,問基本粒子的本質是什麼,最後也只能答「因為宇宙誕生就是這樣啊」。

科學家在很久以前,問的是「為什麼(why)」,答案亦普遍停留於「定性(qualitative)」階段。然而,隨著主要由伽利略等人開始的科學革命,科學家漸漸發現使用數學能夠描述自然定律之餘,亦能做出非常精確的預測。其中,以牛頓萬有引力定律推算出彗星重臨時間的哈雷,最為人津津樂道。由17世紀發展以來的現代科學,變成一門精密的「定量(quantitative)」學問。

科學家學會了去問大自然「如何(how)」運作。這比問大自然 why 這樣運作容易回答,因為問大自然 how to 運作的答案可以用數式、數字,加上統計、歸納觀測和實驗數據而得到,並且非常精確。數學(包括統計學在內)不單止是大自然的語言,更是科學家用來理解大自然定律的語言。

在科學中,「理解」就是數學方程式。不管我們願不願意接受,數學都是描述和預測自然定律最精確的語言。把我們觀察到的數據歸納,以最少的假設建立一個能夠描述這些數據的數學模型,並對大自然作出預測,就是現今科學家的日常工作。

當然,我們可能不會滿足於問 how。人類是求知慾很強的生物,我們渴望知道 why。這也是很多著名的科學家說過的;很多科學家都說我們應該理解數學背後的物理概念,而非單純滿足於公式和數字。

我們會高興地說:「看!愛因斯坦和費曼等科學家都說過,理解物理公式不代表真正理解物理!」且慢。這個結論下得太快了;快點把你寫滿數式的筆記找回來。可能理解物理公式真的不代表理解物理概念,我不肯定;但我能肯定的是,不理解物理公式,就不可能理解物理概念。

會說出「物理不是數學」的科學家,他們之所以會這樣講,是因為他們已經把物理公式理解得相當透徹。他們達到一個層次、擁有的堅實數學能力讓他們是時候向下一步進發:不用數學而理解物理。不過,這一步,誰也不能保證成功,就連愛因斯坦、費曼等人都不可能保證成功。

每個科學家都知道,能夠不用數學就理解的自然定律少之又少;大部分的情況下,人類對自然定律的最終理解就是那堆數式、符號和數字。

這代表我們理解宇宙的嘗試失敗了嗎?非也。能夠利用數學去描述自然定律,還能得到非常不錯的預測,已經是非常厲害的壯舉。如果我們仔細思考,我們甚至會認為這個壯舉厲害得近乎不可思義。例如在2015年探測到的重力波,竟然是愛因斯坦在100年前發表的高度數學化的重力理論——廣義相對論——的預言。又例如在上世紀發展到今天的量子力學,其預測能力只有越來越精準,百多年來無數個實驗測試它都一一通過了。這些科學成就,無不是建立在科學家對物理公式的徹底理解之上。

我們應該謹記,無論我們對「理解物理定律」的解釋為何,首先都必須理解物理公式。正如做事要由基礎開始,學科學也要由科學定律的根基——數學——開始。當我們可以問 why 的時候,就代表我們已經理解 how 了。

或許有一天,我們所有人都能夠理解宇宙為何如此不可思議。我是這樣希望的。

方程是永恆:愛因斯坦(Albert Einstein)

1879年,愛因斯坦出生於德國南部小鎮烏姆(Ulm)。1880年,他隨家人搬到慕尼黑(München)。與一般印象相反,愛因斯坦小時候因為鮮少說出完整句子,父母曾以為他有學習障礙。

愛因斯坦在慕尼讀中學。他非常討厭德國學校著重背誦的教育方式,課堂上總自己思考問題,不專注聽課,所以經常被老師趕出班房。1894年,愛因斯坦15歲,他父親赫爾曼・愛因斯坦(Hermann Einstein,1847-1902)在慕尼黑的工廠破產,迫使舉家遷往意大利帕維亞(Pavia),留下愛因斯坦在慕尼黑完成中學課程。同年12月,愛因斯坦以精神健康理由讓學校準許他離開,前往帕維亞會合家人。

這次出走改變了愛因斯坦的一生,甚至可說改變了人類文明的科學發展。

愛因斯坦不懂意大利語,不能在帕維亞上學。他早有準備,前往瑞士德語區蘇黎世(Zürich)投考蘇黎世聯邦理工學院(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich,通常簡稱ETH Zürich)。結果愛因斯坦數學和物理學都考得優異成績,但其他科目如文學、動物學、政治和法語等等卻全部不合格。

蘇黎世聯邦理工學院給予愛因斯坦一次機會,著他到附近小鎮阿勞(Aarau)去完成中學課程,明年再考。在這段期間,愛因斯坦暫住在斯特・溫特勒教授(Jost Winteler,1846-1929)家中。愛因斯坦很喜歡開明、自由的溫特勒教授一家,利用這一年溫習各科目,更與溫特勒的女兒瑪麗・溫特勒(Marie Winteler,1877-不詳)相戀。

瑞士的教育方式與德國的不相同,並不強調背誦。瑞士學校老師非常鼓勵學生發表意見,不會以權威自居,這一點與討厭權威的愛因斯坦非常合得來。愛因斯坦曾於寄給溫特勒的信中寫道:「對權威不經思索的尊重,是真理的最大敵人。」[1]他稱自己為世界主義者,不喜歡德國日漸升溫的國家主義。溫特勒教授就幫助愛因斯坦放棄德國國籍,愛因斯坦因而成為了無國籍人士,他很喜歡這個「世界公民」身份。

一年後,愛因斯坦再次投考蘇黎世理工學院。物理、數學當然成績優異,其他科目亦合格,愛因斯坦順利被取錄入讀物理學系。然而,他父親卻期望他進入工程學系,將來繼續家族工廠,因此他們大吵了一場。

愛因斯坦大學時繼續他我行我素的性格,經常逃課去上其他科目的課堂,所以都要他的同學們幫他抄筆記,他才知道考試範圍。加上愛因斯坦以刺激權威為樂,教授們都不喜歡這個又煩又懶的學生,不願意幫他寫好的推薦信,所以他畢業後一直找不到工作。

在學時,愛因斯坦與物理系唯一一個女同學米列娃・馬利奇(Mileva Marić,1875-1948)相戀。根據膠囊資料顯示,愛因斯坦與米列娃的書信中曾提到他們有個女兒叫麗瑟爾。不過後來他們就再沒提到她,歷史學家估計麗瑟爾出生不久就死於猩紅熱。愛因斯坦與米列娃在1903年結婚,之後他們生了兩個兒子——大子漢斯和二子愛德華。他們最終在1914年分居,1919年離婚。

愛因斯坦於1900年畢業,取得了教學文憑。可是,由於教授們都不喜歡愛因斯坦,他申請大學職位的申請信全都石沉大海。愛因斯坦非常沮喪,以致他父親於1901年寫信給威廉・奧斯特瓦爾德教授(Wilhelm Ostwald,1853-1932,1909年諾貝爾化學獎得主)請求他聘請愛因斯坦當助手,或者至少寫給愛因斯坦鼓勵說話。當愛因斯坦快要連奶粉錢也不夠的時候,他大學時的舊同學格羅斯曼・馬塞爾(Grossmann Marcell,1878-1936)[2]的岳父以人事關係幫他在瑞士專利局找到了一份二級專利員的工作,愛因斯坦才度過難關。

愛因斯坦喜歡在早上就把所有工作做完,利用整個下午在辦公桌上思考物理問題。一個從學生時代就已令他著迷的問題就是:如果他能夠跑得和光一樣快,會看到什麼?

詹士・馬克士威(James Clerk Maxwell,1831-1879)的電磁學方程組說明光線就是電磁場的波動,而電磁波亦已被亨里希・赫茲(Heinrich Hertz, 1857-1894)的無線電實驗證明存在。科學家認為,既然光是波動,就跟所有其他波動一樣需要傳播媒介:聲波需要粒子、水波需要水份子,而光需要「以太」才能在宇宙直空中傳播。

愛因斯坦於1905年發表狹義相對論。在這之前牛頓的絕對時空觀早已令科學界困擾多年。著名的邁克遜—莫雷實驗結果與牛頓力學速度相加法則相違背[3]。無論地球公轉到軌道的哪個位置,無論實驗儀器轉向哪個方向,光線都相對以太以同樣秒速30萬公里前進,分毫不差。這就好像下雨時無論向哪個方向跑,雨點總是垂直落在我們的頭頂。難道雨點知道我們跑步方向,故意調整落下角度嗎?

光速不變概念非常革命性。因為光速不變,在我們眼中同時發生的兩件事,其他人看起來卻不一定同時。時間與空間有微妙關係,兩者結合在一起成為時空。當年大部分科學家都認為問題必然出在馬克士威電磁方程式,但愛因斯坦卻不這麼想。他認為,我們常識中對「同時」的理解根本有誤。不過,愛因斯坦並非以力學切入這個問題,而是思考一個著名的電磁現象:法拉第電磁感生效應。

法拉第電磁感應定律指出,移動的帶電粒子會同時產生電場與磁場,靜止的帶電粒子則只會產生電場,沒有磁場。但相對論說宇宙並沒有絕對空間,速度只有相對才有意義。而物理現象必須是唯一的,所以我們就有個問題:究竟有沒有磁場存在?把電磁鐵穿過線圈,我們可以做以下三個實驗:

(一)固定電磁鐵,移動線圈;
(二)固定線圈,移動電磁鐵;
(三)固定線圈及電磁鐵,改變磁場強度。

實驗結果:三個實驗之中都有電流通過線圈,而且數值完全一樣!

我們可以從實驗結果得出甚麼結論?基於完全不同的物理過程,實驗(一)與實驗(二)和(三)得到相同的電流。實驗(一)產生電流的是磁場,而實驗(二)和(三)產生電流的卻是改變的磁場所感生的電場。嚴格來說,實驗(一)的結果並非法拉第定律,因為法拉第定律所指的是磁場感生電場。正是這區別令愛因斯坦得到靈感,他在論文中說這個現象顯示無論是電動力學與力學,根本不存在絕對靜止這回事。

愛因斯坦預期相對論會在科學界引起廣泛討論,結果卻是異常安靜。愛因斯坦突然拋棄了物理「常識」,此舉令科學界摸不著頭腦。馬克斯・普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858-1947,1918 年諾貝爾物理奬得主)可能是唯一一個明白相對論重要性的人,他讀到論文後寫過信去問愛因斯坦解釋清楚一些理論細節,更派馬克斯・馮勞厄(Max von Laue,1879-1960,1914 年諾貝爾物理奬得主)去拜訪愛因斯坦。馮勞厄發現愛因斯坦竟然不是大學教授,而是瑞士專利局裡的小職員。回家路上,愛因斯坦送給馮勞厄一支雪茄,馮勞厄嫌品質太差,趁愛因斯坦不為意從橋上把雪茄丟了下去。

愛因斯坦導出那舉世聞名的質能關係方程式E=mc2,解釋了放射性同位素輻射能量來源和太陽能量來源。不過愛因斯坦後來在1921年獲頒的諾貝爾物理學獎並非因為相對論,而是因為他應用普朗克的量子論解釋了光電效應。

愛因斯坦並沒有滿足於狹義相對論。狹義相對論只適用於慣性坐標系,可是宇宙裡絕大部份坐標系都是非慣性的,例如地球就是個加速中的坐標系。愛因斯坦知道必須找出一個新理論去解釋加速坐標系中的運動定律。他幾乎是獨力地與新發展的數學分支「張量分析」在黑暗之中搏鬥了十年之久,最後才於1915年11月完成廣義相對論。我們已經觀賞過的宇宙大爆炸,都遵守廣義相對論的方程式。

愛因斯坦尋找正確的廣義相對論公式期間,米列娃與愛因斯坦的關已經變得非常惡劣,而且愛因斯坦的母親非常不喜歡他倆的婚姻,米列娃她就在1914年帶著兩個孩子離開他們的家柏林,到瑞士去了。與孩子分離使愛因斯坦非常傷心,因為他堅持留在德國做研究。不過,他與後來第二任妻子、表妹愛爾莎・愛因斯坦(Elsa Einstein,1876-1936)[4]的曖昧關係已經一發不可收拾。

我們穿越時間來到了1915年11月底,愛因斯坦就快發現能夠描述整個宇宙的新理論了。狹義相對論裡時空是平的,並且所有慣性坐標系都是等價的。廣義相對論描述的是更廣泛的彎曲時空,它能描述所有坐標系。只要指定一套時空度規、給定能量與物質密度分佈,就能夠計算出時空曲率如何隨時間改變。相對論大師約翰・惠勒(John Archibald Wheeler,1911-2008)曾說:「時空告訴物質如何運動;物質告訴時空如何彎曲。」[5]

狹義相對論改正了以往區分時間與空間的常識,而廣義相對論則把萬有引力描述成時空曲率,連光線也會被重力場彎曲,再次顛覆了常識。我們只需要把一組十式的愛因斯坦場方程式配合相應時空度規,任何宇宙的過去與未來都能夠計算出來。

當然很多人質疑廣義相對論的正確性,因為科學理論必須接受實驗驗證。終於在1919年,英國天文學家亞瑟・愛丁頓(Sir Arthur Stanley Eddington, 1882-1944)來到西非畿內亞灣普林要比島(Principe)以日全食觀測結果驗證了廣義相對論。1919年5月29日早晨,下著傾盆大雨。幸好到了下午1時30分雨停了,不過還有雲。愛丁頓努力拍攝了許多照片,希望能夠拍到太陽附近的星光偏折。最後結果出來了:在拍得的照片中,有一張與愛因斯坦的預測數值吻合。其實在科學裡,一個證據並不足以支持一個理論,但愛丁頓是個廣義相對論狂熱擁護者,他立即對外公佈廣義相對論已經被證實了。

廣義相對論場方程式顯示,宇宙若不是正在收縮就是正在膨脹。我們已經知道,當年愛因斯坦認為宇宙永遠存在,因此他在場方程式裡加入了宇宙常數,用來抵消重力,使宇宙變得平衡,不會擴張也不會收縮。但這樣的宇宙極不穩定,只要非常細微的擾動,宇宙就會膨脹或收縮。就好像把一個保齡球放在筆尖上,理論上保齡球可以停在筆尖上,但只要一點點風就能使保齡球滾下來。

不過,這個常被人說成是愛因斯坦一生最大錯誤的宇宙常數,其實的確存在。錯有錯著,歷史再次證明愛因斯坦正確,儘管這並非愛因斯坦的原意。1929年,愛德溫・哈勃(Edwin Hubble,1889-1953)發現星系正在遠離地球,而且越遙遠的星系後退的速度就越快。這只能有兩個解釋:要麼地球是宇宙的中心、要麼宇宙正在膨脹。當愛因斯坦知道哈勃的發現後,他後悔在廣義相對論方程式裡加入了人為的宇宙常數[6]。

今天,科學家已經發現宇宙不單正在膨脹,而且膨脹正在加速。暗能量、或者宇宙常數,因而在上世紀末重新復活。一個正在加速膨脹的宇宙,比一個靜止的宇宙需要更巨大的宇宙常數。而且事實上,即使有宇宙常數,宇宙亦不可能靜止。

愛因斯坦在第二次世界大戰時,因為擔心納粹德國會製造出原子彈,所以他曾寫信致羅斯福總統要求美國搶先研究製造原子彈。到戰後才發現,當時的德國根本無法造出原子彈,因為大多數的科學家已經被希特拉趕走了。那天早上,當愛因斯坦聽到原子彈已經把日本廣島夷為平地,他就呆坐在家,久久未能平復心情。從此以後,愛因斯坦極力主張廢除核武,導致他被50年代著名的FBI胡佛探長(John Edgar Hoover,1895-1972)認為他是共產黨間諜。理所當然,胡佛始終無法找到任何證據捉拿愛因斯坦。

愛因斯坦因以普朗克的光量子概念解釋了光電效應而獲得1921年諾貝爾物理獎。光電效應論文證明了光同時是波動和粒子,稱為光的波粒二象性,是量子力學的基本原理。不過,儘管量子力學和廣義相對論的所有預測都未曾出錯,兩者卻互不相容。現在的科學家十分清楚:要不是量子力學是錯的、或廣義相對論是錯的、或兩者都是錯的。

愛因斯坦於1923年7月11號在瑞典哥德堡舉行的Nordic Assembly of Naturalists會講上講了他的諾貝爾獎講座。雖然他得到的是1921年諾貝爾獎,可是因為諾貝爾奬委員會認為在1921年的提名名單中沒有人能夠得獎,跟據規則該年度之獎項順延至下一年頒發,所以愛因斯坦實際於1922年得到1921年的諾貝爾獎。而由於在1922年諾貝爾獎頒獎典禮舉行時愛因斯坦正在遠東旅行,直到1923年愛因斯坦才在哥德堡講出他的諾貝爾奬講座。順帶一提,愛因斯坦獲頒諾貝爾獎不久之前,他正在香港。

愛因斯坦雖然有份為量子力學打下基礎,後來卻變得不相信量子力學,例如他與兩個物理學家共同提出的愛因斯坦—波多爾斯基—羅森悖論[7]就是為了推翻量子力學的。可是,科學家後來發現愛因斯坦—波多爾斯基—羅森悖論的假設「局域性」是錯的。廣義相對論認為宇宙是「局域」的,只有無限接近的兩個點才能有因果關係,因此推翻了牛頓重力理論中的「超距作用」。但量子力學卻說,兩個相距非常遠的粒子也能夠互相影響,因此量子力學與廣義相對論的假設是不相容的。

愛因斯坦一生都在尋找量子力學的錯處,結果是一個都找不到。他晚年一直在研究統一場論,希望統一電磁力和重力。不過,在他死前,人類並不知道除電磁力和重力以外還有強核力和弱核力。所以愛因斯坦根本沒有足夠的資訊去進行統一場論的研究,歷史注定要他失敗。

愛因斯坦一生對金錢、物質、名譽等不感興趣,他喜愛的東西大概可說只有物理和女人。他希望找出大自然的終極奧秘,並以優美、永恆不變的數學方程式表達出來。愛因斯坦覺得「政治只是一時,方程式卻是永恆。」[8]愛因斯坦聲稱自己並不擅長政治,但他在一生中卻經常對種族平等、世界和平等政治大議題作公開演講。因此他也引來許多人對他的政治立場表達不滿。

當以色列的第一任總統哈伊姆・魏茲曼(Chaim Azriel Weizmann,1874-1952)於1952年逝世時,以色列官方曾邀請愛因斯坦擔任第二任總統。最後,愛因斯坦寫了一封回信感謝並婉拒。

1955年4月18號,愛因斯坦在撰寫祝賀以色列建國七週年的講稿中途逝世。他生前堅拒以人工方法勉強延長生命,他說:「當我想要離去的時候請讓我離去,一味地延長生命是毫無意義的。我已經完成了我該做的。現在是該離去的時候了,我要優雅地離去。」[9]

[1]”Autoritätsdusel ist der größte Feind der Wahrheit.” The Private Lives of Albert Einstein (1993), p. 79.

[2]格羅斯曼在愛因斯坦建立廣義相對論期間幫助愛因斯坦解決數學上的問題,可說是廣義相對論的促進者。注意格羅斯曼是匈牙利人,名稱習慣先姓後名,所以格羅斯曼是他的姓,馬塞爾才是他的名。

[3]邁克遜—莫雷實驗是阿爾伯特・邁克遜(Albert Abraham Michelson, 1852-1931)和愛德華・莫雷(Edward Morley, 1838-1923)在1887年合作做的實驗,測量地球在以太參考系裡的速度。

[4]原名愛爾莎・路文塔爾(Elsa Löwenthal)。

[5]”Spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve.” Geons, Black Holes, and Quantum Foam (2000), p. 235.

[6]流傳愛因斯坦說過這是他「一生中最大的錯誤」的故事應該是假的。

[7]愛因斯坦—波多爾斯基—羅森悖論是愛因斯坦、鮑里斯・波多爾斯基(Boris Podolsky,1896-1966)、納森・羅森(Nathan Rosen,1909-1995)於1935年合寫的一篇論文中的思想實驗,希望證明量子力學自相矛盾。

[8]”… politics are only a matter of present concern. A mathematical equation stands forever.” Brighter than a Thousand Suns: A Personal History of the Atomic Scientists (1958), p. 249.

[9]”I want to go when I want. It is tasteless to prolong life artificially. I have done my share, it is time to go. I will do it elegantly.” The ruptured abdominal aortic aneurysm of Albert Einstein, Surgery, Gynecology & Obstetrics, 170 (5): 455-8.

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拋開常識的學者:愛因斯坦 (Albert Einstein)