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2100科技大未來:從現在到2100年,科技將如何改變我們的生活
2050科幻大成真:超能力、心智控制、人造記憶、遺忘藥丸、奈米機器人,即將改變我們的世界
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
2100科技大未來:從現在到2100年,科技將如何改變我們的生活(在台暢銷萬冊,2019年全新封面版)
2050科幻大成真:超能力、心智控制、人造記憶、遺忘藥丸、奈米機器人,即將改變我們的世界:(紐約時報暢銷書,2019年全新封面版)
離開太陽系:移民火星、超人類誕生到星際旅行,探索物理學家眼中的未來世界
人類未來三部曲:《2100科技大未來》+《2050科幻大成真》+《離開太陽系》(物理大師加來道雄經典代表作)

譯 者 作 品

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

科學

【類別最新出版】
新媒體判讀力:用科學思惟讓假新聞無所遁形
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慣性思考大改造:教大腦走不一樣的路,再也不跟別人撞點子。
死亡的臉:一位外科醫師的生死現場(二十七週年紀念版)


愛因斯坦的宇宙(CK0029)

類別: 自然‧科普‧數理>科學
叢書系列:科學人文系列
作者:加來道雄
譯者:郭兆林
出版社:時報文化
出版日期:2005年10月17日
定價:280 元
售價:221 元(約79折)
開本:25開/平裝/256頁
ISBN:9571343781

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書摘1書摘2



  書摘2

靈光一閃下,牛頓了解到自己能將地球與天體物理融合為一。將蘋果拉下地面的作用力,一定與遠及月球並引導其路徑的作用力相同。他無意中開啟了新的重力觀點,想像自己坐在山頂上丟石頭,把石頭越越快便可越丟越遠。但是他又做了一項關鍵性的躍進:如果將石頭丟得太快而永遠回不來,那會如何呢?牛頓理解到,在重力作用下持續掉落的石頭將不會撞到地面上,而是會繞圈子,最後回到所有者這邊,並撞上其後腦勺。利用這種新觀點,他把石頭換成月球,月球會持續往下掉落但永遠不會撞到地面上,這是因為月球和石頭一樣,會完全以圓形軌道繞著地球轉。月球並非如教會所稱是靜止在天球(celestial sphere)上,而是不斷像石頭或蘋果一般受重力引導做自由掉落,這是首度對太陽系運動的解釋。

二十年後,一六八二年的倫敦對於照亮夜空的一顆彗星又驚又奇。牛頓用自己發明的反射式望遠鏡,仔細追蹤這顆彗星的運動,結果發現假定彗星是自由落體並受重力作用,則其運動將會完美地符合式子。在業餘天文學家哈雷(Edmund Halley)的幫助下,牛頓可以準確預測這顆(哈雷)彗星何時會再回來,這是對彗星運動的首度預測。牛頓用來計算哈雷彗星與月球運動的重力法則,正是今日美國太空總署(NASA)用來精準指引太空探測器通過天王星與海王星所使用的法則。

根據牛頓,這些力皆屬於瞬時作用。例如,太陽如果突然消失,牛頓相信地球將會立刻脫離軌道,並迷失在深邃的太空裡,宇宙中每個人將會在同一時間知道太陽消失了。因此,我們有可能將每支錶調成同步,讓他們在宇宙裡每個角落整齊劃一地走著,地球上的一秒與火星、木星上的一秒一樣長。和時間一樣,空間也是絕對的,地球上的量尺長度與火星、木星上的一樣長,在宇宙任何角落都不會改變。因此,無論我們旅行到太空何處,分秒與長度都處處相同。

因此,牛頓的觀點建立在時間與空間為絕對的(absolute time and space)這個常識概念上。在牛頓看來,空間與時間形成絕對的參考座標,讓我們可據此判斷所有物體的運動。例如搭火車時,我們相信火車在移動,而地球是靜止的。但是當看到樹木從車窗飛逝而過時,我們也可以猜想或許火車是靜止,而樹木是被運送經過窗戶的。既然火車裡的每件物體似乎都沒有移動,我們可以問:真正在移動的東西到底是什麼,是火車、還是樹木?牛頓認為,絕對參考架構可以找出答案。

馬克士威的場理論

長達兩百多年的時間,牛頓定律一直是物理學的基礎。接著在十九世紀末,電報與燈泡等新發明為歐洲大城巿帶來革命,電學研究也為科學注入新內涵。為解釋神祕的電力與磁力,一八六○年代在劍橋大學研究的蘇格蘭物理學家馬克士威(James Clerk Maxwell),提出一種光的理論,他不是依據牛頓的作用力,而是稱為「場」(fields)的新概念。愛因斯坦寫道,場是「自牛頓之後,物理學上最深奧也最有用的概念。」

當我們將鐵粉灑在一張紙上,便可以看到場效應。若紙面下放置磁鐵時,鐵粉會神奇地排列成蜘蛛網的圖案,鐵線呈北極到南極分布。在任何磁鐵周圍都有磁場,即朝著各方向、看不見的作用力線集合。

電也會製造場。在科學博覽會上,孩童常會因為手碰觸靜電源,使頭髮豎起而開懷大笑,這些頭髮正畫出從靜電源生出、看不見的電場線。

然而,這些電場與牛頓所提出的作用力大為不同。牛頓認為力同時作用於太空各處,所以宇宙某部分的擾動將會同時在宇宙各處感受到。馬克士威則洞察到,磁效應與電效應不會像牛頓的作用力瞬時傳遞,而是以一定速度移動。其傳記作家高曼(Martin Goldman)寫道:「磁作用需要『時間』的概念……,馬克士威似乎是憑空想出。」馬克士威證明,在搖晃磁條時,鄰近的鐵粉需要一段時間才會移動。

想像在風中顫動的一張蜘蛛網,網中某個部分受風擾動時會產生漣漪,進而擴散到整張蛛網;場與蛛網容許以一定速度前進的振動存在,和作用力的情況並不相同。馬克士威進一步計算這些磁、電效應的速度,他利用這個想法解決了光的奧祕,成為十九世紀最具突破性的思考之一。

馬克士威從法拉弟(Michael Faraday)等人早期的研究知道,移動的磁場可製造電場,反之亦然。為世界帶來電力的發電機與馬達,便是這種正逆反應的直接結果。(這項原則被用來照亮家家戶戶。以水壩為例,流水會轉動渦輪,再轉動磁鐵,而轉動的磁場會推動線圈裡的電子,電子在高伏特的線圈裡前進,最後到達客廳牆壁上的插座。吸塵器也一樣,電從插座流出而創造磁場,使馬達葉片旋轉。)

馬克士威的天才之處,在於他將兩種效應結合起來。若變動的磁場會創造電場且反之亦然,則也許兩者能形成循環,電場與磁場彼此不斷生成、變為彼此。馬克士威很快了解到,這種循環模式會創造移動的電磁場序列,一波接一波地不停轉變成彼此,形成諧和的振動波。接下來,他開始計算此波速。

結果他驚訝地發現,這個速度正是光速!他更進一步宣稱這波動正是光,這也許是十九世紀最具革命性的聲明了。馬克士威接著以先知的口吻對同事宣告:「我們難以逃避這項結論:光是由電、磁現象的介質振動所產生的波動。」千百年來人類為光的本質傷透腦筋,科學家終於解開其最深奧的祕密。不像牛頓的作用力是同時發生的,這些場以一定速度,也就是光速前進。

馬克士威的研究濃縮成八個艱難的偏微分方程式(一般稱為馬克士威方程式),成為過去一百五十年來每個電機工程師與物理學家必須背誦的式子。(今日我們可以買到印有八道著名方程式的T恤,開頭寫道:「起初,神說……」,最後一句則是「……於是就有了光。」)

物理學兩大支柱的扞格

在十九世紀末,有關牛頓與馬克士威理論的實驗獲得豐碩成果,使得物理學家十分肯定地預測,這兩大科學支柱已經回答了宇宙的所有基本課題。當普朗克(Max Planck,量子理論之父)對於成為物理學家一事請教導師意見時,導師曾勸他換個方向,因為物理研究基本都已結束,沒有真正新的東西等待發現了。十九世紀偉大的物理學家凱爾文(Lord Kelvin)也呼應這類說法,他宣告物理根本上已完成,除了少數地平線上的小小「烏雲」無從解釋。

但是年過一年,牛頓世界的缺陷變得越加明顯,例如居里夫人對於分離鐳與輻射等研究,正撼動了科學界,並捕捉住大眾的想像力。這種會發亮的稀有元素,即使只有幾盎斯也能照亮漆黑的房間。居里夫人也證明,原子內部某處似乎能夠產生無窮無盡的能量,但這違背了能量守恆法則,因為能量應該無法被破壞或創造的。結果,這些小小的「烏雲」很快催生了二十世紀兩大孿生革命,即相對論與量子理論。

但最令人窘困的是,任何嘗試將牛頓力學與馬克士威理論合併的努力都失敗了。馬克士威的理論肯定了光是一種波動,但是卻留下一個問題:在波動的究竟是什麼?科學家知道光能在真空裡行進(事實上光可以在真空的外太空裡,從遠方恆星傳遞數百萬年之久),但既然真空的定義是「空無一物」,這又留下「沒有東西在波動」的矛盾了。

牛頓派物理學家試圖回答這個問題時,提出光是由在看不見的「以太」(aether)當中振動的波所組成,以太是充滿在宇宙中的靜止氣體。以太應當是絕對參考系,讓我們可以測量所有速度。懷疑論者可能會說,既然地球繞太陽轉、太陽繞銀河系轉,那麼應該不可能知道那一個真正在轉動。牛頓派物理學家回應指出,太陽系相對於靜止的以太運轉,所以可以決定哪一個真正在轉動。

然而,以太開始被賦與越來越多神祕又奇怪的特性。例如,物理學家知道光在密度高的介質裡傳遞更快,所以聲音振動在水裡比在空氣裡傳遞更快。然而,既然光速快得如此神奇(每秒約三十萬公里),意謂以太的密度必定大得不可思議。但這怎麼可能呢?因為以太也應當比空氣更輕啊!在仔細檢視下,以太變成一種神祕的物質:他絕對靜止、沒有重量、無法看見、黏滯度為零、比鋼鐵更硬,而且儀器完全偵測不到!

到一九○○年時,牛頓力學的缺陷變得越來越難解釋。世界準備好革命了,但由誰來領導呢?雖然物理學家知道以太理論的漏洞,但是他們怯生生地在牛頓架構裡試圖修補這些破洞。愛因斯坦沒有擔心失敗的包袱,反倒能夠擊中問題要害:牛頓作用力與馬克士威場論是不相容的!二大科學支柱之一必然有錯。當其中一根支柱最終倒下時,讓二百多年的物理學天翻地覆,並且革新我們對宇宙與真實的視野。牛頓物理將會被愛因斯坦推翻,而他用的概念簡單到小孩都能理解。

 
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