大自然奧祕的解答,就存於好奇心中──《重力簡史》導讀

書序

大自然奧祕的解答,就存於好奇心中──《重力簡史》導讀

文章原刊於《重力簡史》(商周出版,2018)

 

小時候,我的爸爸總愛講一些科學家的故事,也許這就促使我從小就十分喜愛科學,以及對科學家的生平事蹟產生興趣。我印象最深刻的故事是阿基米德的「Eureka!」(我發現了!)及牛頓的蘋果樹。雖然這兩個故事可能都是虛構的,但可以確定的是,阿基米德和牛頓都有着如故事中驚人的洞察力和聯想力,再配合他們非凡的數學才華,使他們成為偉大的科學家。

《重力簡史》一書便從牛頓的蘋果樹開始說起。時至今日,那棵蘋果樹仍立於英國林肯郡的伍爾索普莊園,還成為英國五十棵最重要的樹之一。在伍爾索普莊園內,牛頓改寫了現代科學,他不到兩年便發明微積分,以及完成光學和萬有引力的研究。雖然牛頓的學術成就很早已在學術界得到認同,在離開莊園後隨即成為劍橋大學教授和皇家學會院士,但他偉大的萬有引力理論,要待二十年後才正式發表。

這本書的第一及第二章便試圖分析箇中原因。牛頓除了個性複雜且矛盾,更是位實用和完美主義者。雖然他早已發現讓蘋果掉下來的力量,與讓月亮掛在天空的力量,都源於同一種力。他必須證明重力是種萬有力,主宰宇宙一切物體的運動,並以精準的數學語言描述,更要說服自己這的確是一套完美的理論。因為哈雷的一個問題,牛頓再次投入重力的研究,更精益求精,將成果以臻於完美的方式呈現。這便是1687年出版的《自然哲學的數學原理》,而哈雷彗星更是牛頓的運動定律與重力定律的最佳驗證。今天,哈雷的房子和天文台仍保留在牛津大學城內,每次我回到校園時,總會到他的故居緬懷他當年鼓勵牛頓發表其偉大著作,促使現代科學的發展。

牛頓的重力定律不只具有普遍性,還很簡單。這就是科學的美。重力平方反比定律,可以解釋行星的運動、尋找新的行星,甚至太陽系外行星、測量銀河系中心黑洞的質量,以至推算暗物質的分布。坊間很多探討重力的科普書籍都有精采的描述,但這本書的最大特色是,作者花了很多的篇幅論述重力與潮汐的關係。潮汐跟我們日常生活息息相關,特別是台灣四面環海,河流貫穿大城市,潮汐預報更不可或缺。牛頓便是第一個以完備的理論解釋潮汐因由的科學家。書的第三章除了討論牛頓怎樣利用萬有引力理論預估漲退潮時間,更比較月亮與太陽對潮汐的作用,以及潮汐對井水和大型強子對撞機的影響,最後更延伸到太陽系內其他衛星。事實上,在宇宙裡所有雙星系統都不能忽略潮汐力。

牛頓的研究和著作打開現代科學的大門,而1846年發現的海王星更將牛頓的萬有引力理論推至極致。可是問題終於來了,牛頓的重力理論未能解釋水星的異常軌道。雖然這是一個有趣的問題,但在愛因斯坦之前,沒有人意識到這是源於牛頓對時間和空間概念的誤解。

愛因斯坦的事蹟和科學成就在本書的第五、第六,以及部分的第七章有簡單的描述,篇幅明顯比牛頓的少。可能是因為坊間已有大量與愛因斯坦有關的科普書籍,但重點是作者帶出愛因斯坦跟牛頓作為偉大科學家的特徵,以及他們對科學的態度。愛因斯坦跟牛頓一樣,是一位專注力十分高的科學家。書中提到1905年是愛因斯坦的「奇蹟年」,愛因斯坦花了幾個月就完成四篇重要的科學論文,其中光電效應為他贏得了1921年的諾貝爾物理學獎,而狹義相對論和質能轉換更奠定相對論的基礎,當中E=mc2更是家喻戶曉的方程式。愛因斯坦放棄牛頓的絕對空間與絕對時間概念,推翻牛頓的世界觀,用自己的一套想法全新演繹現代物理。

雖然牛頓與愛因斯坦的時代背景完全不同,但他們石破天驚的發現有一些相似的地方。牛頓的「奇蹟年」是在與世隔絕的伍爾索普莊園,當時他剛從劍橋大學畢業,為躲避鼠疫而回家;而愛因斯坦的「奇蹟年」,是他找不到大學職位,只能在瑞士伯恩專利局當三級技術專員。也許是生活乏味枯燥,讓他們驚人的專注力花在研究上。他們問了一些很基本、很簡單的問題,然後放在心裡,時時刻刻專注思考,直至得到滿意的答案。牛頓受到伽利略的啟發,發展出三大「運動定律」,進而解釋克卜勒定律和發現萬有引力定律,還自創微積分這門數學工具(與德國數學家萊布尼茲同期但各自獨立發明微積分)。發現過程雖然不到兩年,但編撰成書卻耗時二十年。愛因斯坦則延伸伽利略的相對性原理,屏棄牛頓的絕對空間和絕對時間概念,找到光速恆定,從而解答他十六歲時問的一個問題:「如果能夠追上光,那會是甚麼樣子?」也就是說,這個問題在他心中有十年之久。牛頓解答了克卜勒從觀測歸納出來的行星運動,並推廣其理論到其他科學領域,愛因斯坦則回答了光的本質,徹底改變物理學的基礎。

因狹義相對論不能應用在加速的環境,加上光速恆定跟牛頓的重力定律在概念上有所衝突,愛因斯坦必須將相對論廣義化。從狹義相對論到廣義相對論,愛因斯坦花了接近十年的時間,專注的研究工作更導致日後的家庭問題,其中最主要的目的是要解釋重力的本質。牛頓將重力想像成平方反比定律,兩個物體之間必定有一道「力」牽引着,但就沒有說明這道「力」到底是甚麼。愛因斯坦將重力化身為時間和空間的扭曲,不僅如此,物質能改變時空的形狀,而時空的形狀又主導物質移動的方式。這是廣義相對論最奧妙之處。

廣義相對論發表後,愛因斯坦隨即要解答重力的傳播問題,亦即時空結構中的波動,也就是第六章討論的重力波。重力波無疑是廣義相對論其中一個最重要的驗證,科學家努力了一百年,終於在2015年9月14日首次偵測到重力波。這本書剛好在2016年2月的重力波發布會之後出版,在前言和第六章都有介紹這次發現的重要性。過去兩年,重力波的觀測可謂突飛猛進,至2017年8月為止,科學家共找到五個來自雙黑洞合併所產生的重力波。而在2017年8月17日,更發現首個雙中子星合併的重力波,並找到來自合併所釋放的電磁波輻射,也就是光子,使我們更了解中子星合併後的演化過程,這是一次史無前例的觀測。而三位來自雷射干涉重力波天文台(LIGO)團隊的靈魂人物,更獲得2017年的諾貝爾物理學獎。待LIGO在2018年年底經升級後再次運作時,重力波的研究將大放異彩。

廣義相對論將現代物理學推向新的高峰,但同時帶來新的問題。廣義相對論可以推導出黑洞和大霹靂,它們的共通點是奇異點的存在。由於奇異點的重力是無限大,換句話說,時空扭曲至無法描述,廣義相對論因此面臨重大危機。要了解奇異點的物理,我們要結合廣義相對論和量子論,也就是量子重力論。可惜的是,廣義相對論和量子論的本質並不相容。書末兩章便介紹量子重力論的最新發展。我們可以預期,這套更深層的理論,將會幫助我們進一步了解宇宙誕生之謎。

牛頓和愛因斯坦同樣被掉下來的東西吸引着,透過思想實驗,造就了驚人的發現,更用一套漂亮的數學語言使之呈現。科學之所以引人入勝,就是你永遠不會知道正確答案,而你的責任就是盡情發問,脫去前人的枷鎖,透過思考和觀察,尋找最簡單的答案,也許過程充滿挫敗感,但最後你會感受到喜悅。這就是大自然。剛逝世的霍金說:「我希望鼓勵更多人去想像和探討已知和未知的科學。」

江國興

江國興

國立清華大學天文研究所專任教授

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