形上集

愛因斯坦如何做研究

- 愛因斯坦融會貫通前人的工作,才獲致偉大發現。

撰文/高涌泉
2016-09

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愛因斯坦如何做研究

- 愛因斯坦融會貫通前人的工作,才獲致偉大發現。

撰文/高涌泉
2016-09


 幾個月前,我曾介紹天才物理學家費曼從事科學研究的方法(參見2016年5月號〈費曼如何做研究〉):認定問題、從最明顯的可能答案入手、盡快尋找錯誤、然後修正。現在我要介紹名氣、成就更大的愛因斯坦做學問的辦法。啟發我這麼做的是物理史學家兼哲學家諾頓(John D. Norton)今年發表的一篇新文章〈愛因斯坦的發現不是這麼來的〉(How Einstein did not discover),我對其中的觀點頗有共鳴,值得為文一記。


諾頓是美國匹茲堡大學科學史暨科學哲學系教授,從2005年起擔任該校科學哲學中心主任,其研究主題之一是狹義與廣義相對論的歷史與哲學,是國際知名的愛因斯坦專家。他在這篇新文章中說,大家都對於愛因斯坦的腦力感到不可思議,想知道其中的秘訣;愛因斯坦為了滿足大家的好奇心,便常利用一些吸引人、簡單的故事來解說他那些得來不易的艱深洞見。但這些故事被一知半解的人錯誤簡化,於是產生了一些對於愛因斯坦如何獲得科學發現的迷思。


諾頓說這些關於愛因斯坦創意來源的迷思包括:一、愛因斯坦可以和小孩一樣問出天真卻基本的問題,才能不受限於成人的偏見,直搗問題核心;二、愛因斯坦擅於從操作型定義的角度來看待基本觀念;三、愛因斯坦勇於挑戰權威、打破成規;四、愛因斯坦能夠正確解讀單一關鍵實驗,而獲致偉大發現。


這幾點聽來很有道理,也似乎都有其依據。例如,有個關於狹義相對論起源的故事流傳已久,首先,愛因斯坦提出成人不會問的「幼稚」問題:當我們說兩件事同時發生,究竟是什麼意思?然後他從測量的觀點,對於「校時」與「同時性」下了操作型定義,才發現「同時性」其實是相對的,因而創造出狹義相對論。但是諾頓反駁這故事不符史實,因為愛因斯坦花了很多年思考各種可能性,主要的心力用在確認狹義相對論的兩個假設(即「電磁定律於任何慣性座標皆成立」與「光速與光源速度無關」)的正確性。他曾嘗試各種方法以推翻這兩個假設,但未能成功,不得已之下才想到如果放棄「同時性」的絕對性,這兩個假設就沒有矛盾。諾頓說愛因斯坦對於操作型定義的討論僅是一種簡要的說明方式,不是研究的起點。


另外無論愛因斯坦有多叛逆,他絕不會無緣無故挑戰權威,他的成功與其說是打破成規,不如說來自其研究的全面性與澈底性。其實若以他不接受量子力學的態度而論,他反倒是相當保守、不肯放棄古典物理的傳統觀點。至於第四點迷思,有時人們會以光電效應為例,說愛因斯坦為了解釋這個效應才提出光量子的假設。但諾頓強調愛因斯坦非常了解一個系統的巨觀熱力學性質和其微觀組成元素密切相關,才能從黑體輻射推論出有單獨、離散的點狀光量子存在(參見2012年5月號〈光子不思議〉)。對於愛因斯坦來說,光電效應是一項預測,而不是出發點。


 回到愛因斯坦成功的真正秘訣,諾頓在文章的結尾對於期盼能成為愛因斯坦第二的人提出以下建議:「一、要非常聰明並有創意,天份是無可替代的;二、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;三、勤奮工作並能忍受挫折,愛因斯坦是百折不撓的人;四、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;五、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;六、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。」


和愛因斯坦相比,費曼沒有充份做到的是上述第二點,不過他的天份太高了,所以還是有頂級的成就。