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【廣相百年】完美的理論

2015/11/29 — 8:43

去年三月,物理人奔走相告,南極州實驗已錄得始源重力波遺跡。我期待一個比上帝粒子更震撼的世紀大發現,亦寫下長文備用。可惜 BICEP2 今年初宣佈,受太空輻射塵影響,線索未達科學發現的標準,未能為四日前百歲誕辰的廣義相對論送上完美的賀禮。在《主場新聞》伺服器待發的文章,亦隨風而逝。

愛因斯坦怎會介意?1915 年 11 月 25 日寫下廣義相對論方程之時,他的狹義相對論早已打破絕對時間和空間的觀念,百年誌慶只有相對於地球人的狹義。甚至,十年前任職版權局時一年內同時發表三個改變世界的理論,亦無足掛齒。還記得,中學時邂逅愛因斯坦親撰的小書,首先證明「同時」只是相對的觀念,一動即滅。

在沒有重力影響的狹義相對論世界,不但移動中的手錶和横尺慢了短了,時間和空間更融為四維一體的時空,一起移動變換。唯有物理定律和光速不變,守護變幻仍是永恆的對稱。「史上最偉大的隱世女數學家」艾美・諾特只憑數學邏輯就能證明,定律對稱的另一面,必有守恆的物理量。應用於核能發電的質能互換原理,E = mC2,只是相對論對稱的顯現。

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狹義相對論發表之後兩年,愛因斯坦已明白重力如何扭曲時空。在「等效原理」的思想實驗中,試想你身在火箭,感到腳踏實地,可能已降落地面,同樣亦可能的,是火箭正在加速;但你無法分辨,因為重力吸引和外力加速完全等效。我們知道,在加速升空中的火箭,橫向的光線向下彎曲。若重力和加速沒有分別,光線在地面上的火箭亦同樣向下彎,而唯一的原因只能是地心吸力。愛因斯坦終於想通,重力不是「力」,光線只是在重力扭曲了的時空循「直線」前進。

要引入重力,必須推翻違反對稱原理的牛頓學說。在其後八年,愛因斯坦徹底改變重力和時空的關係,完成廣義相對論,將相對論原理擴展到充滿物質的真實宇宙。在物理大儒 Wheeler 筆下的廣義相對論世界,「時空教物質如何運動,物質教時空如何彎曲。」,展現出更廣義的對稱和守恆。

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圖:1931 年 3 月 21 日,George Lemaître 在 Nature 雜誌發表 "The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory 科學論文,首次提出宇宙有起始的科學論證。

圖:1931 年 3 月 21 日,George Lemaître 在 Nature 雜誌發表 "The Beginning of the World from the Point of View of Quantum Theory 科學論文,首次提出宇宙有起始的科學論證。

廣義相對論橫空出世後,將會改變一切。1931 年,比利時神父科學家 Georges Lemaître 籍宇宙澎漲的發現發表《世界之始》論文,為無神的宇宙大歷史寫下序言。

命運注定由一位牛津教授為百年來改變人類宇宙觀的巨變作傳記。數年前,Pedro Ferreira 回到祖母的故鄉西非小島 Príncipe,憑弔 90 年前 Arthur Eddington 乘日蝕良機觀察星光按預測繞過太陽來到這裡的遺址。「回看 1919 年,他們的創見令人震驚。光被彎曲的時空轉向,一個簡單的意念,曾經在這裡證明了愛因斯坦的理論。」

Ferreira 教授的 “The Perfect Theory” 去年出版,中文版《完美的理論:一整個世紀的天才與廣義相對論之戰》趕及在百年誌慶前面世。

廣義相對論百年沒變,「很多人認為它是一個完美的理論。對有幸和它擦身而過的人,它是令人敬畏的深邃泉源。」試如作者所言,「我慶幸活在一個有這麼多新事物等待發現的年代。這世紀肯定會是廣義相對論的世紀⋯⋯某些神奇的事即將要發生。」今日我們亦適逢其會,不要錯過《完美的理論》,一起站在巨人肩上遠望新世界。

(原文刋於 2015.11.29 蘋果日報 What we are reading。)

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