物理

超越諾貝爾獎的偉大心靈

愛因斯坦若不是曾經真實存在過,沒人能想像一個人對於20世紀物理學的影響如此巨大。

撰文/高涌泉

物理

超越諾貝爾獎的偉大心靈

愛因斯坦若不是曾經真實存在過,沒人能想像一個人對於20世紀物理學的影響如此巨大。

撰文/高涌泉


2017年諾貝爾物理獎頒給了韋斯(R a i n e r W e i s s)、巴瑞許(Barry C. Barish)與索恩(Kip S. Thorne)三人,瑞典皇家科學院說他們三人是因為「對於LIGO(雷射干涉儀重力波觀測站)偵測器以及重力波的觀測有關鍵性貢獻」而獲獎。LIGO團隊是在2015年9月首次觀測到重力波,這時距離愛因斯坦首次預測重力波的存在已經快100年。


愛因斯坦從1907年開始思考如何推廣狹義相對論, 以便把重力現象包括進來。八年之後,1915 年底,他找到了一個可以正確描述物質如何影響時空曲率的非線性微分方程式,隔年他就利用「線性近似」得到此重力場方程式的平面重力波解。從這個解,愛因斯坦可以預測重力波的基本性質,例如速度等於光速以及其振盪形式。由於這個解僅是個近似解,愛因斯坦最初對於重力波的存在也不敢說很有把握。直到1950年代中期,經過眾人的努力,愛因斯坦1916年的預測才獲得認可,實驗學家也才開始認真面對觀測重力波的挑戰。


沒有愛因斯坦,重力波的發現起碼要推遲數十年以上,重力波天文學當然也無法開啟,天文學家就少了一項觀測宇宙的重要工具。所以愛因斯坦如果還活著,發現重力波的諾貝爾獎,絕對有他一份。


除了重力波,愛因斯坦起碼還有三項(理論)發現,其證實者皆得到了諾貝爾獎,但是愛因斯坦自己並沒能跟著一起分享:(1)他在1905 年提出的布朗運動理論,由法國物理學家佩蘭(Jean Perrin)以實驗證實,佩蘭因此獲得1926年諾貝爾物理獎;(2)他在1905 年提出的光量子理論,由美國物理學家康普頓(Arthur H. Compton)證實,康普頓因此獲得1927 年諾貝爾物理;(3)他在1924年提出今天稱為「玻色-愛因斯坦凝聚」(Bose-Einstein Condensation)的新奇現象,由美國物理學家康乃爾(Eric Cornell)、威曼(Carl Wieman) 與凱特利(Wolfgang Ketterle)證實,三人因此獲得2001年諾貝爾物理。另外愛因斯坦在1905 年光量子論文中提出對於光電效應的解釋,由美國物理學家密立坎(Robert Andrews Millikan)證實,密立坎獲得1923年諾貝爾物理。當然愛因斯坦也因這一項貢獻,獨自獲頒1921年諾貝爾獎。


在上述的諾貝爾級貢獻之外,愛因斯坦還有超越諾貝爾級的偉大成就,那當然就是人人皆知的狹義相對論與廣義相對論。狹義相對論除了澈底顛覆人們對於時間的認知,也給了我們E = mc2的公式;而廣義相對論除了成為「對稱性決定交互作用」最佳典範之外,還提供了我們唯一能夠適當描述宇宙演化的數學架構。狹義、廣義相對論是好多座諾貝爾獎的基礎,其影響是一般諾貝爾級成就所遠不及的。


愛因斯坦一個人對於20 世紀物理學的影響如此巨大,很難不讓人多少產生一種不真實的感覺。他若不是曾經真實存在過,沒人能想像人世間會出現這樣一位人物。我們不要忘了,愛因斯坦在26 歲之前,僅僅是一位被正統學術圈排斥在外、於瑞士專利局審查專利的業餘科青而已。若加上他與同班同學米勒娃的熱戀、米勒娃為他生下私生女、兩人後來鬧翻臉、外遇堂姊、把預期中的諾貝爾獎金全給米勒娃當贍養費、受希特勒納粹迫害而流亡美國、寫信提醒美國總統羅斯福原子彈的威力、拒絕接任以色列總統、與波耳關於量子力學的世紀爭辯等人生際遇,這些林林總總讓愛因斯坦自己不得不也承認,於物理內外,他有個不可思議的一生。


楊振寧品評物理學家,視愛因斯坦為第一。他說馬克士威與波茲曼都是偉大的物理學家,但是他們的影響力不及愛因斯坦,物理史上只有牛頓可以和愛因斯坦相提並論;可是他也說牛頓有伽利略與克卜勒為引導,在追尋重力法則的路途上並不孤單,然而愛因斯坦卻是獨自開創出廣義相對論。楊振寧說愛因斯坦「並非把握機會,而是創造機會」,無中生有造出廣義相對論。愛因斯坦過人之處,依楊振寧的看法,在於他能夠識別什麼才是關鍵的問題;當別人浪費時間於無謂的研究,愛因斯坦卻已看穿迷霧,朝著正確的方向前進。


楊振寧對於愛因斯坦如此推崇,其他物理高手也是如此。舉例來說,俄國大物理學家藍道(Lev Landau) 為物理學家分級,他把愛因斯坦一人列於最高級,其他高手如波耳、海森堡、包立、狄拉克等眾將只能夠列為第二級。愛因斯坦對於這種聲望的評論是:「選擇少數幾個人,以無限的愛慕,認為他們有超人的心智與品格,我認為是很不公平的,甚至是沒有品味的。可是我的命運就是如此。我的實際能力與成就其實遠不及一般的評價。」


無論如何,愛因斯坦這四個字就代表了天才、創意、成就、榮耀。當我們說某位科學家是另一位愛因斯坦,我們都知道那意味什麼,難怪科技部為了培育科研新世代所推出的專案即稱為「愛因斯坦培植計畫」。但是如何培植愛因斯坦?長期研究愛因斯坦的名科學史家諾頓(John D. Norton),對於期盼成為愛因斯坦第二的人如此建議:「(1)要非常聰明並有創意,天份是沒有替代品的;(2)澈底掌握已知的科學知識,愛因斯坦對於前人的工作可是融會貫通,否則無從發現其中的缺點,當然也就無從發現新理論;(3)勤奮工作並能忍受挫折,愛因斯坦是百折不撓的人;(4)努力工作有時會激發出超越性的洞見,這時要好好享受那一瞬間;(5)要能以簡單但不失精采的方式呈現你的複雜思想,這樣大家就會讚歎你不得不然的發現,並相信任何小孩也能做得到;(6)要有一點運氣,你的天份必須和要解決的問題相匹配,愛因斯坦了不起的物理直覺恰好適合處理狹義相對論與光量子,但是對於不按牌理出牌的量子理論,波耳就要佔上風了。」(參見《科學人》2015年12月號「形上集」專欄〈愛因斯坦如何做研究〉)


既然天份與運氣不操之在我,有心人大約只能從「勤奮」與「掌握已知科學知識」下手。不過光這些也不是容易的事。楊振寧說愛因斯坦辨識重要問題的眼光比別人犀利,我要說即使僅是對於物理概念的理解,愛因斯坦也比別人更快更深刻。一個例子就是我前面提過的「玻色-愛因斯坦凝聚」。玻色(Satyendra Nath Bose)是印度物理學家,比愛因斯坦小15歲。他在1924 年寫了一封信給愛因斯坦,信中附了一篇論文,裡頭提出一種推導普朗克黑體輻射公式的新方法。玻色當時還默默無名,卻請求愛因斯坦幫忙看看文章的價值是否足以發表在當時德國的主要期刊。玻色曾經把這篇論文投稿到英國期刊,卻被審查者回絕。結果愛因斯坦獨具慧眼,判定這是篇重要論文,同時親自把論文從英文翻譯成德文,並安排發表。愛因斯坦也看出玻色理論的一項重要後果,即連玻色也沒想到的「玻色-愛因斯坦凝聚」。這個例子顯現了愛因斯坦過人的理解力。


就算不談愛因斯坦最為人讚歎、但也無從模仿的天生創造力,他的領悟力之高恐怕主要也來自無法剖析的聰明。所以與其談論培植愛因斯坦,不如談論欣賞愛因斯坦,這可是大多數人做得來的事。


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