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大自然奥祕的解答,就存于好奇心中──《重力简史》导读

2020-06-29

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文章原刊于《重力简史》(商周出版,2018)

小时候,我的爸爸总爱讲一些科学家的故事,也许这就促使我从小就十分喜爱科学,以及对科学家的生平事蹟产生兴趣。我印象最深刻的故事是阿基米德的「Eureka!」(我发现了!)及牛顿的苹果树。虽然这两个故事可能都是虚构的,但可以确定的是,阿基米德和牛顿都有着如故事中惊人的洞察力和联想力,再配合他们非凡的数学才华,使他们成为伟大的科学家。

《重力简史》一书便从牛顿的苹果树开始说起。时至今日,那棵苹果树仍立于英国林肯郡的伍尔索普庄园,还成为英国五十棵最重要的树之一。在伍尔索普庄园内,牛顿改写了现代科学,他不到两年便发明微积分,以及完成光学和万有引力的研究。虽然牛顿的学术成就很早已在学术界得到认同,在离开庄园后随即成为剑桥大学教授和皇家学会院士,但他伟大的万有引力理论,要待二十年后才正式发表。

这本书的第一及第二章便试图分析箇中原因。牛顿除了个性複杂且矛盾,更是位实用和完美主义者。虽然他早已发现让苹果掉下来的力量,与让月亮挂在天空的力量,都源于同一种力。他必须证明重力是种万有力,主宰宇宙一切物体的运动,并以精準的数学语言描述,更要说服自己这的确是一套完美的理论。因为哈雷的一个问题,牛顿再次投入重力的研究,更精益求精,将成果以臻于完美的方式呈现。这便是1687年出版的《自然哲学的数学原理》,而哈雷彗星更是牛顿的运动定律与重力定律的最佳验证。今天,哈雷的房子和天文台仍保留在牛津大学城内,每次我回到校园时,总会到他的故居缅怀他当年鼓励牛顿发表其伟大着作,促使现代科学的发展。

牛顿的重力定律不只具有普遍性,还很简单。这就是科学的美。重力平方反比定律,可以解释行星的运动、寻找新的行星,甚至太阳系外行星、测量银河系中心黑洞的质量,以至推算暗物质的分布。坊间很多探讨重力的科普书籍都有精采的描述,但这本书的最大特色是,作者花了很多的篇幅论述重力与潮汐的关係。潮汐跟我们日常生活息息相关,特别是台湾四面环海,河流贯穿大城市,潮汐预报更不可或缺。牛顿便是第一个以完备的理论解释潮汐因由的科学家。书的第三章除了讨论牛顿怎样利用万有引力理论预估涨退潮时间,更比较月亮与太阳对潮汐的作用,以及潮汐对井水和大型强子对撞机的影响,最后更延伸到太阳系内其他卫星。事实上,在宇宙里所有双星系统都不能忽略潮汐力。

牛顿的研究和着作打开现代科学的大门,而1846年发现的海王星更将牛顿的万有引力理论推至极致。可是问题终于来了,牛顿的重力理论未能解释水星的异常轨道。虽然这是一个有趣的问题,但在爱因斯坦之前,没有人意识到这是源于牛顿对时间和空间概念的误解。

爱因斯坦的事蹟和科学成就在本书的第五、第六,以及部分的第七章有简单的描述,篇幅明显比牛顿的少。可能是因为坊间已有大量与爱因斯坦有关的科普书籍,但重点是作者带出爱因斯坦跟牛顿作为伟大科学家的特徵,以及他们对科学的态度。爱因斯坦跟牛顿一样,是一位专注力十分高的科学家。书中提到1905年是爱因斯坦的「奇蹟年」,爱因斯坦花了几个月就完成四篇重要的科学论文,其中光电效应为他赢得了1921年的诺贝尔物理学奖,而狭义相对论和质能转换更奠定相对论的基础,当中E=mc2更是家喻户晓的方程式。爱因斯坦放弃牛顿的绝对空间与绝对时间概念,推翻牛顿的世界观,用自己的一套想法全新演绎现代物理。

虽然牛顿与爱因斯坦的时代背景完全不同,但他们石破天惊的发现有一些相似的地方。牛顿的「奇蹟年」是在与世隔绝的伍尔索普庄园,当时他刚从剑桥大学毕业,为躲避鼠疫而回家;而爱因斯坦的「奇蹟年」,是他找不到大学职位,只能在瑞士伯恩专利局当三级技术专员。也许是生活乏味枯燥,让他们惊人的专注力花在研究上。他们问了一些很基本、很简单的问题,然后放在心里,时时刻刻专注思考,直至得到满意的答案。牛顿受到伽利略的启发,发展出三大「运动定律」,进而解释克卜勒定律和发现万有引力定律,还自创微积分这门数学工具(与德国数学家莱布尼兹同期但各自独立发明微积分)。发现过程虽然不到两年,但编撰成书却耗时二十年。爱因斯坦则延伸伽利略的相对性原理,屏弃牛顿的绝对空间和绝对时间概念,找到光速恆定,从而解答他十六岁时问的一个问题:「如果能够追上光,那会是甚幺样子?」也就是说,这个问题在他心中有十年之久。牛顿解答了克卜勒从观测归纳出来的行星运动,并推广其理论到其他科学领域,爱因斯坦则回答了光的本质,彻底改变物理学的基础。

因狭义相对论不能应用在加速的环境,加上光速恆定跟牛顿的重力定律在概念上有所冲突,爱因斯坦必须将相对论广义化。从狭义相对论到广义相对论,爱因斯坦花了接近十年的时间,专注的研究工作更导致日后的家庭问题,其中最主要的目的是要解释重力的本质。牛顿将重力想像成平方反比定律,两个物体之间必定有一道「力」牵引着,但就没有说明这道「力」到底是甚幺。爱因斯坦将重力化身为时间和空间的扭曲,不仅如此,物质能改变时空的形状,而时空的形状又主导物质移动的方式。这是广义相对论最奥妙之处。

广义相对论发表后,爱因斯坦随即要解答重力的传播问题,亦即时空结构中的波动,也就是第六章讨论的重力波。重力波无疑是广义相对论其中一个最重要的验证,科学家努力了一百年,终于在2015年9月14日首次侦测到重力波。这本书刚好在2016年2月的重力波发布会之后出版,在前言和第六章都有介绍这次发现的重要性。过去两年,重力波的观测可谓突飞猛进,至2017年8月为止,科学家共找到五个来自双黑洞合併所产生的重力波。而在2017年8月17日,更发现首个双中子星合併的重力波,并找到来自合併所释放的电磁波辐射,也就是光子,使我们更了解中子星合併后的演化过程,这是一次史无前例的观测。而三位来自雷射干涉重力波天文台(LIGO)团队的灵魂人物,更获得2017年的诺贝尔物理学奖。待LIGO在2018年年底经升级后再次运作时,重力波的研究将大放异彩。

广义相对论将现代物理学推向新的高峰,但同时带来新的问题。广义相对论可以推导出黑洞和大霹雳,它们的共通点是奇异点的存在。由于奇异点的重力是无限大,换句话说,时空扭曲至无法描述,广义相对论因此面临重大危机。要了解奇异点的物理,我们要结合广义相对论和量子论,也就是量子重力论。可惜的是,广义相对论和量子论的本质并不相容。书末两章便介绍量子重力论的最新发展。我们可以预期,这套更深层的理论,将会帮助我们进一步了解宇宙诞生之谜。

牛顿和爱因斯坦同样被掉下来的东西吸引着,透过思想实验,造就了惊人的发现,更用一套漂亮的数学语言使之呈现。科学之所以引人入胜,就是你永远不会知道正确答案,而你的责任就是尽情发问,脱去前人的枷锁,透过思考和观察,寻找最简单的答案,也许过程充满挫败感,但最后你会感受到喜悦。这就是大自然。刚逝世的霍金说:「我希望鼓励更多人去想像和探讨已知和未知的科学。」

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