2014年12月2日

廣義相對論源起

愛因斯坦用他豐富的想像力創建廣義相對論,誠如他的名言所揭示一般:想像力比知識更為重要。因為知識是有限的,而想像力無限……

作者/張峻輔(清華大學博士、任教高雄中學物理科)

知名物理學家費曼(Richard Feynman)曾經嘗試要寫小說,因為他認為寫小說就如同科學創作一般,都是需要豐富想像力的工作。試想你創造的新理論在不違背所有已知原理的前提之下,需能解釋舊理論不能解釋的現象,更有甚者還要能預測未知的事物,是件多麼不容易的事,所以費曼認為物理學家的工作,尤其是理論物理學家,就像是小說家在創作小說一般,只是這本小說的情節不能讓你天馬行空的任意想像,必須有所限制。如果要舉一位擅寫此種「科學式想像小說」的大師級人物,我想公認非愛因斯坦莫屬了。

時代背景
愛因斯坦在1905年得到狹義相對論之後,開始著手思考一個包含重力的相對論,他在1907~1911年間發展出的「等效原理(equivalence principle)」,可說是費曼所謂高明的科學式想像最佳的示範,等效原理最終引領愛因斯坦找到描述重力的正確理論,就是廣義相對論。美國物理學家歐本海默(J. Robert Oppenheimer)在紀念愛因斯坦逝世十週年的文集中曾說過,沒有愛因斯坦,狹義相對論早晚也會被發現,但若無愛因斯坦,廣義相對論在很長一段時間內不會有人想到。了解相對論發展之時代背景的讀者,必定心領神會歐本海默這段話的涵義。在二十世紀初,牛頓力學與馬克士威電磁學之間的衝突日益明顯,已到了物理學家不得不著手處理的迫切時刻,而且為了解釋邁克生– 莫雷(Michelson-Morley)的以太漂流實驗結果,洛倫茲(H. A. Lorentz)等人也已經發展出相關的數學計算,最後是愛因斯坦以他非凡的洞見,大膽的跨出歷史上重要的一步,狹義相對論於焉誕生。

但是廣義相對論的產生卻非如此,縱然水星近日點的異常進動,暫時沒法用牛頓的萬有引力定律給出圓滿的解釋,但也絕對不是當時學界迫切需要解決的問題。事實上當時的物理學家正聚精會神的研究原子尺度的問題,量子論才是當時的顯學,只有愛因斯坦看出牛頓的重力理論大有問題;如果承認狹義相對論為真,勢必得改寫牛頓的重力理論,在這樣的思想引導下,愛因斯坦歷經十年磨劍,終於找到了廣義相對論。所以若無愛因斯坦,廣義相對論是很難誕生在世人面前,或至少是以如此優美的形式出現。而在廣義相對論誕生的過程中,等效原理就像扮演一位稱職的接生婆一樣,把廣義相對論從牛頓的重力理論與愛因斯坦自己的狹義相對論中接生而出。......【更詳細的內容,請參閱第540期科學月刊】

延伸閱讀
賴昭正,〈牛頓的水桶〉,《科學月刊》44卷第524期608-611頁,2013年。

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