物理

愛因斯坦 廣義相對論100年

撰文/Scientific American編輯部
翻譯/甘錫安

物理

愛因斯坦 廣義相對論100年

撰文/Scientific American編輯部
翻譯/甘錫安

大家都知道重力是什麼。如果有個盒子應該被推倒卻沒有倒下,連三個月大的嬰兒都會露出驚訝的表情;一歲大的小孩就知道,一個不穩定的物體是否會倒下,決定因素是它的形狀。科學家原本認為重力是往地球掉落,後來則採取更廣義的方式,把重力視為任何兩個質量間的引力。

後來愛因斯坦出現了。1915年,他在廣義相對論中揭示,重力不是一種力,而是宇宙彎曲的副產物。換句話說,日常經驗賦予我們對重力的認知是錯的。

發表於1915年12月2日的〈重力場方程式〉起初除了學界以外,並未引起很大的迴響。數年後,由艾丁頓爵士(Sir Arthur Eddington)率領的日食探險隊進行了一項觀測,使這個理論一夕成名。依據愛因斯坦的預測,星光在通過太陽附近時應該會彎曲,艾丁頓首先證實了這個彎曲現象。《紐約時報》宣佈「科學界對日食觀測結果有點兒激動」,後來成了著名標題。

他們激動是有原因的。我們很難想像一個世紀之前,廣義相對論的概念對當時普遍存在的宇宙和物理世界觀具有多大的破壞力。突然之間,空間和時間不再只是天體實際活動的背景。時空擁有自己的幾何結構,時空彎曲造成天體運動,也使我們的腳牢牢站在地面上。廣義相對論還指出,即使是光也必須依循時空的輪廓行進。

相對性的革命接著形塑了20世紀的許多領域,對哲學、藝術、政治和流行文化都有影響。它的發明者的名字成為天才的同義詞,沒沒無名的愛因斯坦成為全世界最傑出的科學名人。他憑藉自己的地位,在全球大事件中扮演重要的角色:他以提倡發展原子彈聞名,並在其後的數十年為這個錯誤懊悔不已。他遊說國會議員保護猶太人,同時公開批評種族主義,也積極倡導民權。此外,愛因斯坦的聲望和他的重大概念成為大眾認識科學的轉捩點,使20世紀成為科學年代,同時引領一直延續至今的科技轉變。

廣義相對論100年是個難得的機會,可以藉此檢視科學界令人難以置信的進展步調以及它對社會的影響。《科學人》2015年度專輯將回顧我們從愛因斯坦的傑出成就學到了什麼,同時展望這些成就在未來可能揭露哪些奧秘。包括從廣義相對論拓展出的眾多新研究領域(參見62頁),以及引領這位天才踏上相對論之路的靈光乍現時刻(參見44頁),並了解他如何運用純粹思考的力量探究這些真理(參見52頁),就連愛因斯坦所犯的錯,通常依然極具啟發性(參見56頁)。

另外我們還將了解,許多人認為愛因斯坦最大的一項錯誤,也就是他抗拒接受量子力學,其實只是誤解(參見94頁)。為了尋找愛因斯坦天賦的源頭,有人已經走火入魔,並且試圖研究愛因斯坦腦子的神經解剖結構(參見88頁)。我們也將剖析愛因斯坦的行為,探究我們對天才的迷戀(參見86頁)。

廣義相對論問世後的這100年也很重要,因為廣義相對論至今仍然未能統合重力與其他作用力,建立適用於萬物的統一理論。

愛因斯坦窮盡人生最後的歲月,追尋更高深的法則。這套法則不僅適用於廣義相對論解釋的宇宙,也適用於量子力學解釋的原子內部世界。他以為這個夢想近在咫尺,但好幾世代的物理學家努力了整整一個世紀,依然無法得出單一自然理論,相對論和量子力學至今仍然無法互相融合。

科學家近年來另闢蹊徑,探索暗物質和暗能量等愛因斯坦時代之後出現的數項宇宙奧秘,希望這些新的研究方向最後能協助我們實現愛因斯坦的夢想(參見66頁)。其他研究人員則藉由黑洞的極端狀況檢驗廣義相對論,試圖找出它的漏洞(參見80頁)。此外,廣義相對論最不可思議的結果之一,也就是它帶來了時間旅行的可能性,或許也可為人類發現自然界更深一層的奧秘打開一扇門(參見74頁)。

顯然,廣義相對論對20世紀物理學發展的重要性超越其他科學理論,愛因斯坦對21世紀的影響同樣超越其他科學家。在這個意義重大的百年時刻,物理學正等待著下一代的廣義相對論,我們也需要另一位愛因斯坦。


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