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加來道雄《神的方程式》:若實驗結果與自己的理論不同,愛因斯坦會認為肯定是上帝犯了錯

文:加來道雄(Michio Kaku)

日食和重力

任何理論不論多美,加來結果己最終都必須面對實驗驗證。道雄定上帝犯所以愛因斯坦抓住了幾項可能的神的式若實驗斯坦實驗。首先是與自水星的古怪軌道。計算它的理論軌道時,天文學家發現了一種輕微反常的不同現象。水星並沒有依循牛頓方程式的愛因預測,沿著理想的會認橢圓運行,而是為肯稍微擺盪,形成了一種狀似花朵的加來結果己圖案。

為了保護牛頓定律,道雄定上帝犯天文學家斷定有一顆新的神的式若實驗斯坦行星,位於水星軌道內側,與自稱為祝融星(Vulcan)。理論祝融星的不同重力會拉扯水星,導致它偏離軌道。前面我們看到,這種策略促使天文學家發現了海王星。然而就祝融星的情況,天文學家卻完全找不到任何可觀測的證據。

於是愛因斯坦使用他的重力理論來重新計算水星的近日點(perihelion),也就是水星最接近太陽的定點,最後他發現,結果略微偏離了牛頓定律,與他自己的計算得數則是完全一致相符,讓他欣喜若狂。他發現了水星軌道和理想橢圓的偏差為每世紀42.9秒弧,這完全在實驗結果之內。後來他就會開心地回顧道:「好幾天來,我都振奮不能自已。我最大膽的夢想如今業已成真。」

他還意識到,根據他的理論,光應該受太陽影響而偏斜轉向。

愛因斯坦意識到,太陽的重力會強大得足夠彎曲附近恆星發出的星光。由於這些恆星只能在日食期間觀看得到,愛因斯坦便提議派出遠征隊,前往考察一九一九年日食,來檢定他的理論。(天文學家必須拍攝兩張夜空照片,一張是沒有太陽的時候,另一張則是在日食期間拍攝。比較兩幅照片,由於太陽重力影響,日食期間的恆星位置必然會移動。)

他很肯定他的理論會通過驗證確認。當他被人問起,倘若實驗證明他的理論不正確,到時他會怎麼想,他答道,那麼肯定是上帝犯了錯。他深信他是正確的,他寫信給他的同行表示,因為它有極高度數學之美和對稱性。

當這項史詩般的實驗終於由天文學家亞瑟・愛丁頓(Arthur Eddington)著手執行,愛因斯坦的預測和實際結果表現出驚人的一致性。(如今,重力所致星光彎曲現象經常被天文學家拿來運用。當星光從遙遠星系附近通過,光線就會被折彎,模樣就像透鏡彎曲光線。這就稱為重力透鏡或愛因斯坦透鏡。)

後來愛因斯坦贏得一九二一年的諾貝爾獎。

他很快就成為地球上最受人稱頌的人物之一,知名度甚至超過電影明星和政治人物。(一九三三年時,他在一場電影首映會上與查理・卓別林〔Charlie Chaplin〕一起出席。當民眾簇擁要求簽名,愛因斯坦詢問卓別林,「這一切有什麼意義嗎?」卓別林答道,「沒有,完全沒有。」接著他又說,「他們為我歡呼是因為所有人都懂我。他們為你歡呼是因為沒有人懂你。」)

當然了,一項理論要顛覆擁有兩百五十年歷史的牛頓物理學,也會遭受激烈的批評。領導這場抨擊的懷疑論者之一是哥倫比亞大學教授查爾斯・普爾(Charles Lane Poor)。普爾讀了相對論之後,怒氣沖沖地表示,「我覺得自己好像在綠野仙蹤幻境徘徊,和瘋帽客一起喝茶。」

不過普朗克始終都為愛因斯坦緩頰。他後來寫道,「一項新的科學真理能夠成功,並不是靠著說服對手讓他們恍然大悟,而是由於對手終於死去,熟悉新真理的新生代長大了。」

幾十年間,相對論遭逢眾多挑戰,不過每次愛因斯坦的理論都通過考驗。事實上,我們在後續各章篇幅就會看到,愛因斯坦的相對論,重新塑造了整個物理學門,徹底革新了我們對宇宙、它的起源和它的演變的觀點,也改變了我們的生活方式。

採用一種簡單的方法就能確認愛因斯坦的相對論,那就是使用你的手機上的GPS系統。GPS系統是以三十一顆環繞地球運行的人造衛星所組成。不論任何時候,你的手機都能收到其中三顆的信號。那三顆衛星各自以略微不同的軌跡和角度運行。接著你的手機裡面的電腦分析這筆來自三顆衛星的數據,並以三角測量法來判定你的精確位置。

GPS系統十分精準,必須把狹義和廣義相對論納入考量,進行細微校正。

由於衛星是以每小時兩萬七千多公里速度運行,根據狹義相對論,GPS衛星上的時鐘的運轉速率,會比地表的時鐘走得稍慢一些,因為理論說明,較高速會讓時間走得較慢——這種現象已經由愛因斯坦的超越光速臆想實驗論證確認。

不過當你愈深入外太空,重力就愈弱,則根據廣義相對論,時間其實會走得稍快一些,因為理論說明,時空會受到重力引力影響而翹曲——重力引力愈弱,時間就走得愈快。這就表示,狹義和廣義相對性是朝反向運作,狹義相對性導致信號減緩,而廣義相對性則導致信號加速。接著你的手機把彼此抗衡的兩項因素納入考量,並告訴你,你現在的精確位置。所以假使狹義相對論和廣義相對論沒有協同工作,那麼你就會迷路。

牛頓和愛因斯坦:兩極對立

愛因斯坦被譽為下一個牛頓,不過愛因斯坦和牛頓在性格上卻截然相反。牛頓是個孤僻的人,沉默寡言到了反社會的程度。他沒有終生朋友,沒辦法進行日常交談。

物理學家傑瑞米・伯恩斯坦(Jeremy Bernstein)曾說,「凡是曾經與愛因斯坦深入接觸的人,全都會湧現強烈無比的感受,深自景仰那個人的崇高性情。關於他有個一再出現的形容詞,那就是『人道主義者』——指稱他的性格中那種單純、可愛的特質。」


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