重力是什麼(上)︰牛頓對決馬克士威,愛因斯坦解決難題

重力是什麼(上)︰牛頓對決馬克士威,愛因斯坦解決難題
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我們想讓你知道的是

愛因斯坦告訴我們,我們對於時間的常識有誤,馬克士威是正確的,錯的是牛頓。

亞里士多德說重力是一種向下跌的慣性,物件越重下跌速度越快;牛頓說重力是物質互相吸引的萬有引力造成的,而且不論物件多重,下跌加速度都相同;愛因斯坦說,宇宙間根本沒有重「力」,物件之所以會互相吸引,是因為質量把時空扭曲了,物質沿著四維時空曲率「下跌」。

等等,我們不是活在三維空間裡面嗎?我們知道這個宇宙中有三個互相垂直的方向︰前後、左右、上下。愛因斯坦發現,如果把時間也視作維度,就能用相對論描述整個宇宙的演化。三維空間加一維時間,構成了我們身處的宇宙。數學家能夠把N個維度的幾何規則推導出來,不過這個宇宙似乎只需要四維就足夠。

牛頓的絕對時空觀

牛頓在1687年出版《自然哲學的數學原理》,闡述了他發現的運動定律和萬有引力定律。其實在牛頓的力學架構中,時間早己是一個維度。要討論力學,我們必須引入參考系概念。請不用擔心,參考系就是我們在基礎數學裡學過的座標而已。如果把三維空間的三個方向叫做 xyz,而時間叫做 t 的話,那麼要在兩個參考系 S S' 之間轉換,牛頓就說︰

x' = x - uxt
y' = y - uyt
z' = z - uzt
t' = t

其中 uxuyuz 分別是參考系 S' 相對參考系 Sxyz 方向上的速度,另外我們假設了 SS' 在時間 t = 0 時重合。這一組四式,我們稱之為伽利略變換。

我們可以看出,時間這個維度在牛頓力學體系裡,無論相對哪個參考系都是一樣的。換句話說,對於任何觀測者而言,彼此的時間都永遠相同。牛頓說,宇宙有一個絕對的時鐘,時間流逝速率對於任何人都一樣,永恆不變。

另一方面,因為速度等於位移除以時間,無論觀察的人跑得多快,一個物件的長度都不會改變。這就是牛頓的絕對時空觀,從17世紀到19世紀統治著物理學。在這段期間內所有科學實驗結果都與牛頓力學吻合,因此我們可說所有古典科學結論都建基於牛頓力學。

來自大自然的挑戰︰固定的光速

之不過,牛頓力學的天空在19世紀後半期已經開始烏雲密佈。如果時空的確是絕對的,那麼我們就可以找到一個絕對靜止的參考系。根據馬克士威在1861和1862年發表的電磁波動方程,電磁波——光——的速度是固定的,數值是秒速299,792,458米。這就引申了一個問題︰光速相對哪個參考系有此定值?如果找到一個參考系,在這參考系之中測量的光速等於每秒299,792,458米,那麼這個就是絕對靜止的參考系。

當時的物理學家稱呼這個參考系做以太,認為以太就是光線的傳播媒介。如果宇宙是絕對靜止的,以太這個特別的參考系就好像宇宙本身,宇宙間一切事物都相對以太運動,而光速只有在以太參考系裡才是秒速299,792,458米。

然而,科學進程往往曲折離奇、耐人尋味。1887年,邁克生和莫雷合作做了一個實驗,去測量地球在以太中的速度。他們用的儀器叫做干涉儀,可以精確地量度光速在兩個互相垂直的方向的差別,稱為光程差。因為地球環繞太陽運動,他們預期在四季不同日期會測量到不一樣的光程差。令所有人驚訝的是,光程差在一年中任何時間都一樣是零!

邁克生和莫雷的實驗結果顯示,無論觀測者的運動速率和方向,光速都一樣是秒速299,792,458米,絲毫不差。這個發現與牛頓力學完全相反,根據伽利略轉換,速度是會疊加的,所以在移動中的地球上沿不同方向行進的光線速率,就是每秒299,792,458米加或減地球在該方向上相對以太參考系的速率。這是牛頓力學和馬克士威電磁波動方程結合的結果,可是大自然卻說這是錯的!

少年愛因斯坦的煩惱

問題到底出在哪裡呢?當時的物理學界並不知道,在德國南部城市慕尼黑裡,一個高中生的腦海裡的一個問題,竟然是答案的關鍵。愛因斯坦原本在慕尼黑讀高中,因為忍受不住德國軍訓式的課堂教育,以精神健康問題為由中途退學,到瑞士一個叫阿勞(Aarau)的小鎮完成中學課程,同時準備報考蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zürich)。

從慕尼黑的中學到他自蘇黎世聯邦理工學院畢業、並在朋友的幫助下勉強找到一份瑞士專利局二級專利員工作的期間,這個問題一直佔據著愛因斯坦的思緒︰如果一個人能夠騎在光束之上,會看見靜止的電磁波嗎?

根據牛頓時空觀,答案是肯定的。可是,馬克士威的電磁理論中並沒有用到以太這個概念。如果光速恆定這結論適用於所有參考系呢?可是,這樣牛頓和馬克士威的理論就互相矛盾了。馬克士威錯了嗎?不可能,他的電磁理論太美麗了,不可能錯的⋯⋯牛頓錯了嗎?可是,兩百多年來他的理論從未出錯⋯⋯抑或是兩個都錯了?

顯然,這裡有個難題,而難題的解答並不會使牛頓和馬克士威皆大歡喜。「我們的常識哪裡出錯了嗎?」愛因斯坦問道。

靈光一閃︰「同時」並非相對

愛因斯坦通常只用半天就完成整天要做的工作,然後他就會在專利局辦公桌上思考和推導物理。一天,他突然發現了我們常識中的漏洞,而這個靈感徹底改變了世界。

愛因斯坦想像有一列以超高速行駛的火車,在直線路軌兩端上的雲同時閃電。我們身處火車中央,相隔兩道閃電的距離剛好一樣。愛因斯坦問︰我們會看到閃電同時發生嗎?答案是不會的,因為火車正向前面那道閃電駛過去,同時遠離後面那道閃電,因此我們會首先看見前面的閃光。現在,如果在路軌旁的地面站著我們的朋友,他亦距離兩道閃電同樣遠。因為他相對兩道閃電而言都是靜止的,他就會看見兩道閃電同時發生。

這就導致了一個驚人的結論︰「同時」這個概念並非絕對,兩件事情的發生次序,與觀測者的運動狀態有關!換句話說,時間是相對的。

意識到時間並非絕對的愛因斯坦,在1905年發表了一篇題為〈論動體的電動力學〉的論文。他在論文中以不同運動狀態觀察法拉弟電磁感生效應,推導出狹義相對論的參考系變換公式︰

xt

為簡化表達式,我們設 S' 沿 x 軸方向運動。狹義相對論的所有結論都可以由這裡開始推導出來,我們稱之為洛倫茲變換。

速率 = 距離/時間。三個變數,如果其中一個不變而另一個改變,那麼第三個變數也就必須改變。常識說時間是絕對的,如果光線走過的距離改變,其速率也會改變。愛因斯坦指出時間並非絕對,光速才是。時間的改變補償了距離的改變,使光速永遠不變。

原來,我們對於時間的常識有誤;原來,馬克士威是正確的,錯的是牛頓;原來,光線能夠在真空中傳播,並不需要以太。就是這篇論文,再加上愛因斯坦同年發表的另一篇論文〈一個物體的慣性依賴於它所包含的能量嗎?〉推導出史上最著名的公式 E = mc2,狹義相對論從此取代牛頓的絕對時空觀。

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責任編輯︰鄭家榆
核稿編輯︰王陽翎