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  愛因斯坦的宇宙
  誕生於平凡家庭的愛因斯坦,為何能提出相對論、重建人類對於宇宙的認知,並且奠定無數嶄新物理學門的理論基礎?國際著名物理學家加來道雄以簡單卻又不失趣味的方式,細數愛因斯坦的研究、奇聞軼事,以及直到今日仍未消逝的偉大成就與影響力。



.作者:加來道雄
.譯者:郭兆林
.分類:科普
.出版社:時報出版
.出版日期:2018/11/13
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文章節錄
《愛因斯坦的宇宙:想跟光賽跑、從椅子摔落……世紀天才這樣想出相對論及量子力學》

  十六歲的愛因斯坦做了一個白日夢,讓他有個頓悟,他也在日後扭轉了人類歷史的軌道。也許是記得伯恩斯坦書裡所寫的奇妙旅程,愛因斯坦幻想自己與一道光速一起賽跑,並問了一個關鍵問題:這道光束看起來如何?就像牛頓想像把石頭丟出去,直到石頭像月球般繞著地球轉,愛因斯坦的認真想像,這下產生了驚奇深遠的結果。

  在牛頓的世界裡,若是運動夠快的話,可以追上任何物體,例如速度飛快的汽車可以跟火車一起跑。若你往火車裡瞧,可看見旅客喝茶看報如同坐在家裡客廳般。雖然旅客速度很快,但是若坐在速度一樣快的汽車裡,我們可以看見火車乘客如同完全靜止一般。

  同樣的,想像警察正在追趕超速的車子。當警車加速追上,與汽車並駛的時候,警察可對車內駕駛揮手,要求停車受檢。對警察而言,汽車駕駛看起來像是靜止的,雖然兩人的時速正超過百哩以上。

  物理學家知道光是由波組成,所以愛因斯坦理解到若能與光束並跑,則光束應是完全靜止的,意即對於跑步的人來說,光束看起來就像凍住的波,是波的靜止照片,光束並不會隨時間振動。不過年輕的愛因斯坦覺得這一點也不合理,因為沒有人看過凍住的波,在科學文獻裡也沒有這般記載。對於愛因斯坦來說,光是特別的,我們不可能追上光束,凍住的光並不存在。

  他已經在無意之間做出這偉大的科學觀察,最後導致相對論原理的誕生,不過當時他還不知道這一點。他後來寫道:「這項原理來自於十六歲時我想到的一項矛盾,如果我以c的速度(即光在真空中的速度)追一道光束,應該觀察到該道光束是……靜止的。但是,不管是從實際經驗,或是根據馬克士威方程式來說,似乎沒有這種東西。」

  正是愛因斯坦所具備的能力,抽離出各種現象背後的關鍵原理,並整合出精簡扼要的觀點,這使他成為開啟科學革命的前鋒。愛因斯坦不像一些科學家常常迷失在數學裡,他以簡單的物理圖象做思考,如高速火車、下墜的電梯、火箭與移動的時鐘等,這些圖象準確帶領他發現了二十世紀最偉大的觀念。他寫道:「所有的物理理論(數學公式除外),應該都能用簡單到孩童也能懂的話來描述。」

狹義相對論的誕生

  一九○五年五月有一天,愛因斯坦去拜訪好朋友米歇爾.貝索(Michele Besso),他也在專利局工作。愛因斯坦說出問題,告訴貝索這個謎已經困惑自己十年。他利用貝索當自己最愛的腦力激盪板,提出以下題目:物理學兩大支柱牛頓力學與馬克士威方程式,根本是不相容的,其中有一方必定是錯的;無論最後證明哪個理論為真,最後的解答勢必得大規模重整所有物理學知識。愛因斯坦來來回回提到與光束賽跑的矛盾,日後他回憶道:「狹義相對論的寶石已經出現在那個矛盾裡了。」他們談了幾個小時,討論問題的每個面向,也談到牛頓的絕對空間與時間概念,似乎違反馬克士威的光束恆定說法。最後,愛因斯坦累壞了,他說自己完全被打敗了,想要放棄整個探尋。試了也沒有用,他已經失敗了。

  雖然愛因斯坦很沮喪,但是那晚回到家後他心裡仍然不停思考著。他特別記得搭乘伯恩的電車時,回頭看了城裡那座著名的鐘塔。然後他想像如果電車以光束駛離鐘塔,會發生什麼事情呢?他很快了解到,鐘塔的時鐘看起來會停止,因為光束無法追上電車,但是他自己在車上的鐘依然會正常走動。

  然後他突然想到整個問題的關鍵。愛因斯坦回憶道:「我內心起了一場風暴。」答案簡單又漂亮:全宇宙的時間能以不同速率走動,取決於移動速度有多快。想像許多時鐘散落在空間裡不同點,每一個時鐘顯示出不同的時間,以不同的速度走動。地球上的一秒鐘,與月球上的一秒鐘或木星上的一秒鐘,長度並不相同。實際上,你移動得越快,時間會越慢。(愛因斯坦有次開玩笑說,在相對論中,他在宇宙每一點都放置一個時鐘,每個以不同速率走動;但是在真實生活裡,他連一個時鐘也買不起。)這代表在某個座標系裡同時發生的事件,在其他座標系裡不必然同時發生,這和牛頓所想的相違背。愛因斯坦終於通達「上帝的思考」了,他後來興奮地回想:「答案乍現我心中。任何概念,或任何時間空間的法則,只有在可以和人類經驗連結的時候,才能有效成立……當我重新形塑同時性(simultaneity)的概念,就得到了相對論。」
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