100年前的驚人創見︰完美的理論

100年前的驚人創見︰完美的理論
Photo Credit: ESA/Proba-2flickr, CC By 2.0

我們想讓你知道的是

「回看1919年,他們的創見令人震驚。光被彎曲的時空轉向,一個簡單的意念,曾經在這裡證明了愛因斯坦的理論。」

去年三月,物理人奔走相告,南極洲實驗已錄得原始重力波遺跡。我期待一個比上帝粒子更震撼的世紀大發現,亦寫下長文備用。可惜BICEP2今年初宣布,受太空輻射塵影響,線索未達科學發現的標準,未能為數日前百歲誕辰的廣義相對論送上完美的賀禮。

愛因斯坦怎會介意?1915年11月25日寫下廣義相對論方程之時,他的狹義相對論早已打破絕對時間和空間的觀念,百年誌慶只是相對於地球人的狹義。甚至1905年前任職版權局時,一年內同時發表3個改變世界的理論,亦無足掛齒。還記得,中學時邂逅愛因斯坦親撰的小書,首先證明「同時」只是相對的觀念,一動即滅。

在沒有重力影響的狹義相對論世界,不但移動中的手錶和横尺慢了短了,時間和空間更融為四維一體的時空,一起移動變換。唯有物理定律和光速不變,守護變幻仍是永恆的對稱。

「史上最偉大的隱世女數學家」艾美・諾特(Emmy Noether)只憑數學邏輯就能證明,定律對稱的另一面,必有守恆的物理量。應用於核能發電的質能互換原理——E = mC2——只是相對論對稱的顯現。

狹義相對論發表之後兩年,愛因斯坦已明白重力如何扭曲時空。在「等效原理」(equivalence principle)的思想實驗中,試想你身在火箭,感到腳踏實地,可能已降落地面,同樣亦可能的,是火箭正在加速;但你無法分辨,因為重力吸引和外力加速完全等效。

我們知道,在加速升空中的火箭,橫向的光線向下彎曲。若重力和加速沒有分別,光線在地面上的火箭亦同樣向下彎,而唯一的原因只能是地心吸力。愛因斯坦終於想通,重力不是「力」,光線只是在重力扭曲了的時空循「直線」前進。

要引入重力,必須推翻違反對稱原理的牛頓學說。在其後八年,愛因斯坦徹底改變重力和時空的關係,完成廣義相對論,將相對論原理擴展到充滿物質的真實宇宙。在物理大儒Wheeler筆下的廣義相對論世界,「時空教物質如何運動,物質教時空如何彎曲。」,展現出更廣義的對稱和守恆。

1931 年 3 月 21 日,George Lemaître 在 Nature 雜誌發表 "The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory 科學論文,首次提出宇宙有起始的科學論證。photo credit: 作者提供

1931年3月21日,George Lemaître在Nature雜誌發表 “The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory科學論文,首次提出宇宙有起始的科學論證。photo credit: 作者提供

廣義相對論橫空出世後,將會改變一切。1931年,比利時神父科學家Georges Lemaître藉宇宙澎漲的發現發表《世界之始》論文,為無神的宇宙大歷史寫下序言。

命運注定由一位牛津教授為百年來改變人類宇宙觀的巨變作傳記。數年前,Pedro Ferreira回到祖母的故鄉西非小島Príncipe,憑弔90年前Arthur Eddington乘日蝕良機,觀察星光按預測繞過太陽來到這裡的遺址。「回看1919年,他們的創見令人震驚。光被彎曲的時空轉向,一個簡單的意念,曾經在這裡證明了愛因斯坦的理論。」

Ferreira教授的 “The Perfect Theory” 去年出版,中文版《完美的理論:一整個世紀的天才與廣義相對論之戰》趕及在百年誌慶前面世。

nov30.3

廣義相對論百年沒變,「很多人認為它是一個完美的理論。對有幸和它擦身而過的人,它是令人敬畏的深邃泉源。」誠如作者所言,「我慶幸活在一個有這麼多新事物等待發現的年代。這世紀肯定會是廣義相對論的世紀⋯⋯某些神奇的事即將要發生。」今日我們亦適逢其會,不要錯過《完美的理論》,一起站在巨人肩上遠望新世界。

本文獲授權轉載,原文刋於2015.11.29蘋果日報 What we are reading

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核稿編輯:鄭家榆