爱因斯坦的理论问世,让牛顿学说的世界观出现裂痕--《科学大历史》

  • 【科科爱读书】人类花了数百万年学习和思考,才从那个连「科学」怎么写都还没一撇的古早时代,到今天能够运用科技超越肉身的限制,探索小粒子的无穷和大宇宙的广袤。但是人类的璀璨成就绝非是一蹴可几,而是建立在无数先人的跌跌撞撞之上,这过程其中也不乏许多学校没教、却相当有趣的故事。就让《科学大历史》带你坐上时光机重回科学史萌芽的年代,来一趟精彩的发现之旅吧!

图/emdot@Flickr

理论物理学令人醉心的一大诱惑,是你的概念有可能对人类的思维、甚至生活方式产生重大的影响。没错,了解与吸收主题,以及了解其技术和议题需要很多年的时间。没错,你想破解的许多问题最后都无法解决。没错,你的概念绝大部分最后证实是无稽之谈,而且很多时候光是极小的贡献就需要花上好几个月的时间。

当然,如果你想成为理论物理学家,你的个性最好是固执又执着,而且只要一丁点小发现,一点看似神奇的数学,或是得知在你发表前只有你知道的自然秘密,就足以让你兴奋得要命。不过,这个过程中,总是存在着另一种可能:你想出或碰巧发现一个远比自然的小秘密还要强大的概念,因此改变了同行或什至全人类观看宇宙的方式。爱因斯坦提出的就是那种概念,而且他是在专利局工作的一年间,接连提出了三个概念。

那三个突破性的理论中,最著名的是相对论。爱因斯坦在这方面的研究彻底改变了我们对空间和时间的概念,他证明空间和时间是密切相关的,而且空间和时间的衡量不是绝对的,而是因观察者的状态而定。

爱因斯坦突破性的理论中,最著名的是相对论。图/Flickr

爱因斯坦想以相对论解决的议题,是马克士威的电磁学理论所衍生的矛盾。根据马克士威的理论,任何人测量光速都会得到同样的结果,无论他们自己的速度相对于光源的速度是多少。

我们可以秉着伽利略的精神,运用简单的「想像实验」来了解为什么上述说法与我们的日常体验相互矛盾。想像火车迅速驶过月台时,有一个摊贩正好站在月台上。那辆移动的火车上,有个乘客把一颗球(或任何物体)往前抛,摊贩会觉得那颗球移动的速度比他自己以同样劲道抛出的球还快。那是因为从摊贩的观点来看,火车上那颗球移动的速度是乘客的抛速加上火车的速度。但是根据马克士威的理论,在移动火车上闪动的光速,不会移动得比较快,在摊贩和乘客的眼中,那道光移动得一样快。对于想把一切简化成原理的物理学家而言,那是说不通的。

横空出世的相对论,动摇牛顿的物理世界

区别物质的是什么原理?多年来,物理学家一直在探讨这个问题,最热门的论点主张「光是透过某种尚未侦测到的介质传播的」,但爱因斯坦抱持不同的看法。他认为,关键不在于光传播的某种未知性质,而是在于我们对速度的了解

由于速度是距离除以时间,爱因斯坦推论,假设光速是固定的,马克士威的理论等于是告诉我们:距离和时间的衡量可以没有统一的共识。爱因斯坦证明,这世上没有通用的时钟或通用的量尺,一切衡量端看观察者的运动而定-—唯有如此,每个人看到的光速才会一样。所以,每个人看到与衡量的东西只是个人的观点罢了,不是每个人都一致认同的现实,这就是爱因斯坦狭义相对论的精髓。

相对论不需要取代牛顿的理论,而是加以修改:牛顿的运动定律必须改变,重新建构在爱因斯坦那个新的空间和时间架构上,测量的结果是取决于一个人的运动。物体和观察者的相对移动速度比较慢时,爱因斯坦的理论基本上和牛顿理论一样。但是移动速度接近光速时,相对论的效果就很明显了。

由于相对论的新奇效果只在极端的情况下显而易见,它对日常生活的重要性远不如量子理论(量子理论说明了为什么构成我们的原子极其稳定),但是当时没有人知道量子的深远影响。于此同时,相对论的出现反而像地震一样撼动了物理学界:牛顿的世界观已经塑造科学界两百多年了,他的理论架构在这时出现了第一道裂痕。

牛顿理论的根据是单一客观的现实。空间和时间形成一个固定架构,世上的活动就在那个舞台上展开。观察者可以观赏舞台上的演出,无论他们身在何处或如何移动,都看到同样的表演,就像上帝从外头观看我们所有人那样。相对论反驳了那种观点,它主张不是只有一出表演--在日常生活中,每个人经历的事实各不相同,端看每个人所处的地方和行动而定。爱因斯坦开始拆解牛顿的世界观,就像伽利略开始拆解亚里斯多德的世界观一样。

在日常生活中,每个人经历的事实各不相同,端看每个人所处的地方和行动而定。图/Tuncay @ Flickr

相对论的发表,算是一场革命吗?

爱因斯坦的研究对物理学的文化有重大的意义:他帮新生代的思想家壮大了胆子,让他们更容易挑战旧有的思维。例如,爱因斯坦为高中学生写了一本谈相对论的书,那本书启发了待会儿我们会谈到的维尔纳.海森堡(Werner Heisenberg),促使他投入物理学界。爱因斯坦研究相对论的方法也启发了之后会介绍的尼尔斯.波耳(Niels Bohr),让他有勇气想像原子依循的定律可能和日常生活的一切物体截然不同。

讽刺的是,所有吸收与了解爱因斯坦相对论的伟大物理学家中,爱因斯坦本人对自己的理论最不重视。在他看来,他不是在主张推翻牛顿世界观的一大面向,他只是提出一些修正罢了—-那些修正对当时多数的实验观察几乎没有影响,但重要的是,那些修正改掉了理论逻辑架构的缺陷。而且,为了使牛顿理论和相对论相容,必要的数学改变并不难。所以,即使爱因斯坦后来觉得量子理论拆解了牛顿物理学,套用物理学家兼传记作家亚伯拉罕.派斯(Abraham Pais)的说法,爱因斯坦「认为相对论根本不是革命」。爱因斯坦觉得,他一九○五年发表的论文中,相对论是最不重要的,另外两篇有关原子和量子的论文比较重要。

从原子推进到量子

爱因斯坦那篇有关原子的论文是分析所谓的「布朗运动」(Brownian motion),那是一八二七年达尔文的老友罗伯.布朗发现的效应。这里的「运动」是指微小粒子神秘又随机的游移,例如花粉里的微粒在水中悬浮的样子。爱因斯坦解释,那是超微分子从四面八方以超高频率冲击浮性粒子所致。虽然个别冲击太细微,无法撼动粒子,但爱因斯坦以统计证明,粒子摇动的幅度和频率可以用罕见的情况来解释--亦即在偶然的机会下,冲撞粒子某一面的超微分子远比冲撞对面的超微分子还多,因此产生足够的力量,推动了那个粒子。

模拟较大的尘埃粒子(黄点)受到周遭微粒不规则碰撞而产生随机动态。图/Lookang @ wikimedia commons.

那篇论文发表后马上引起轰动,连最不相信原子的奥斯特瓦尔德在读了以后都说,他相信原子是真实的。相反的,原子的强力支持者波兹曼不知怎的从未听过爱因斯坦的研究,也不知道那篇论文带来的观念改变。部分原因在于他觉得自己提出的概念始终未受重视,深感沮丧,隔年就自杀身亡了。这实在非常遗憾,因为那篇布朗运动的论文以及一九○六年爱因斯坦发表的另一篇论文,使物理学家终于相信他们看不见、摸不着的原子确实存在。而那些概念就是波兹曼从一八六○年代开始一直提倡的,只不过没什么成效。

往后的三十年内,采用新方程式描述原子的科学家,就能解释化学反应的根本原理--终于可以为道尔顿和门得列夫的概念提出解释和证明。科学家也开始钻研牛顿的梦想:以原子之间的作用力为基础来了解物质的性质。到了一九五○年代,科学家又更进一步,以原子知识来深入了解生物学。在二十世纪后半叶,原子的理论开始带来科技革命、电脑革命、资讯革命。原本一开始只是分析花粉粒子的运动,最后却演变成塑造现代世界的工具。

不过,那些实务运用所依赖的定律,以及描述原子性质的方程式,都不是来自牛顿的古典物理学,甚至不是来自经过相对论修订的版本。想要描述原子需要新的自然定律—-量子定律-—而爱因斯坦一九○五年发表的另一篇革命性论文就是谈量子的概念。

本文摘自《科学大历史:人类从走出丛林到探索宇宙,从学会问「为什么」到破解自然定律的心智大跃进》,漫游者文化出版。

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