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文/費瑞拉

下面這句話聽起來也許有點言過其實,似乎將廣義相對論捧上了天,但我還是忍不住要這麼說:能夠駕馭愛因斯坦的廣義相對論,就等於得到了一把宇宙奧祕之鑰,讓我們得以了解宇宙的歷史、時間的起源,以及宇宙中所有恆星與星系的演化。

廣義相對論可以告訴我們在宇宙最遙遠之處有什麼東西,並且解釋這樣的知識對於在這裡、在此刻的我們會有何影響。愛因斯坦的理論還能幫助我們了解最小尺度的世界,在那裡最高能量的粒子可以從無變有。廣義相對論甚至能解釋實體、空間及時間等結構是如何出現,並演變為大自然的骨幹。

我在那幾個月的密集研讀中,學到了一件事,那就是廣義相對論讓時間與空間得到了生命力。空間不再只是一個讓事物存在的地方,時間也不再只是個滴滴答答響的鐘,用來標記事情發生的時刻。根據愛因斯坦的說法,任何一塊物質的出現,小自粒子、大到星系,都會讓空間和時間跳起宇宙之舞,彼此恣意交織,產生複雜的模式,並帶出各種非常奇特的效應。從愛因斯坦提出廣義相對論那刻開始,它就被用來探索這個自然世界。它告訴我們:宇宙其實是一個以驚人速率擴張(expanding)的動態處所,其中充斥著許多黑洞(時空中具有毀滅性的洞)、以及規模超大的能量波,它們各自攜帶的能量幾乎和一整個星系一樣多。廣義相對論讓我們到達先前無法想像可到達的地方。

我剛開始學廣義相對論時,還有另一件事讓我感到很驚訝。雖然愛因斯坦只花不到十年的時間,就發展出廣義相對論,但它卻從那時到現在都維持原貌。在將近一世紀的時間中,許多人認為廣義相對論是物理學上的完美理論。對於有榮幸發現這理論的人來說,這是極大的推崇。

做為當代思潮的一個中心理論,也做為和梵蒂岡的西斯汀教堂、巴哈的無伴奏大提琴組曲、以及義大利大導演安東尼奧尼的電影一樣重要的文化成就,廣義相對論已經成為堅定不移的代表圖像。

廣義相對論可以簡潔的凝縮成一組易於概括及寫下來的方程式與定則。這些方程式不僅美妙,還可以告訴我們關於這個真實世界的事,並且用來做一些關於宇宙的預測,而這些預測後來也由實際的天文觀測證實了。物理學家深信,還有更多深層的奧祕埋藏在廣義相對論中,等著我們去發掘。我還能期待找到比廣義相對論更棒的研究主題嗎?

高潮迭起,壯闊非凡

將近二十五年來,廣義相對論已經成為我每日生活的一部分。它在我的許多研究扮演著中心角色,也提供扎實的理論基礎,讓我和我的研究夥伴可以嘗試去了解許多問題。我與愛因斯坦理論邂逅的經驗一點也不獨特;我遇過許多來自世界各地、受到愛因斯坦理論深深吸引的人,他們一生都致力於發掘它的奧祕。我所謂的「世界各地」真的是指世界各地。我經常收到各地寄來的科學論文,從金夏沙到克拉科夫,從坎特伯里到聖地牙哥。這些作者嘗試找出廣義相對論的新解,甚至提出對廣義相對論的可能修正。

愛因斯坦的理論也許很難理解,但是它也很民主;它的艱澀與難解正意味著,在人們完全掌握它的所有意涵之前,還有許多研究可做。在這裡,任何一個有筆、有紙、有毅力的人都有發揮的機會。

我經常聽到博士論文指導教授勸告他們的學生:別專攻廣義相對論,以免將來找不到工作。對許多人來說,廣義相對論太深奧了。投注一生來研究廣義相對論,絕對只是犧牲奉獻,幾乎可說是一種不負責任的職業選擇。但是一旦你被這隻廣義相對論之蟲咬到,你就絕對不可能再將相對論拋下。我最近遇到氣候變遷建模學界的一位重量級學者。他是皇家學會院士,在這個異常困難、至今仍然難有突破的領域,他是一位真正的開拓者,是預測天氣與氣候的專家。但他並不是一直以此為業。事實上,1970年代,當他還是個年輕人時,研究主題正是廣義相對論。那是將近四十年前的事了,當我們第一次見面時,他苦笑著跟我說:「事實上,我也是相對論學者。」

我有一位朋友多年前離開學術界,在那之前他曾花了近二十年的時間,從事愛因斯坦理論的研究。現在他在一家軟體公司任職,負責研發及建置可以儲存大量數據的機器。每個星期他都要飛到世界各地,為銀行、企業及政府機構的辦公室架設這些複雜而且昂貴的系統。但是每次我們見面,他還是喜歡考我一些關於愛因斯坦理論的事,或是跟我分享他最近關於廣義相對論的一些想法。他還是無法忘懷相對論呢!

關於廣義相對論,有件事一直困擾著我。那就是,雖然廣義相對論已經出現一個世紀了,但它卻持續為我們帶來新的研究成果。我原本以為,在人類投注了如此多的腦力來研究廣義相對論之後,這個理論應該早在幾十年前,就被研究透澈並且清理得很乾淨了。這個理論或許真的很難,但它所能提供我們的知識,總該有個上限吧?知道有黑洞,以及宇宙一直在擴張,難道還不夠嗎?但是,在我持續與愛因斯坦理論所衍生的各式概念角力,並接觸過許多研究廣義相對論的絕頂聰明學者之後,我才發現,廣義相對論的發展史本身也是高潮迭起、而且壯闊非凡,甚至就和理論本身一樣複雜。要了解這個理論為什麼是如此,呃,有生命力,沒有其他方法,就是跟它一起經歷它在百年的生命期中,所經歷過的苦楚與陣痛。

二十一世紀是廣義相對論的大舞臺

這本書是廣義相對論的傳記。愛因斯坦關於時間與空間是如何結合在一起的想法,已經發展出它自己的歷史,在整個二十世紀中,它為全世界最頂尖的頭腦帶來許多的愉悅與挫折。廣義相對論持續將出人意料的古怪洞見,帶入自然世界中,這些洞見有時候連愛因斯坦都覺得難以接受。

隨著這個理論從一個心靈傳到另一個心靈,嶄新而且沒人預期的結果,已經在最奇特的情境中陸續現身。黑洞的概念最早是在第一次世界大戰的戰場上被人想到,隨後在美國、蘇聯的原子彈先驅手中趨於成熟。宇宙擴張的想法最早是由一位比利時神父及一位俄國數學家暨氣象學家所提出。在驗證廣義相對論上扮演重要角色的一些新奇天體,也幸運的讓人發現了——比方說,約瑟琳.貝爾(Jocelym Bell, 1943-)在劍橋附近的沼澤地,將鐵絲網架在由木頭與鐵釘搭建的脆弱結構上,接收來自太空的訊號,因而發現了中子星。

廣義相對論也在二十世紀幾場重要的智力競賽中,扮演關鍵角色。在希特勒統治下的德國,廣義相對論是受迫害的對象;在史達林統治下的蘇聯,它被追捕;在1950年代的美國,它遭到蔑視。廣義相對論讓物理及天文學界某些名聲響亮、各自想要率先找出宇宙終極理論的人物彼此對立。他們爭論的焦點包括:「宇宙是從一場爆炸開始,或者它是恆久不變的?」以及「時間與空間的基本結構到底為何?」廣義相對論還將遠在世界各地的研究社群聚集起來:在冷戰期間,蘇聯、英國及美國的科學家聚在一起,嘗試解開黑洞起源的問題。

廣義相對論的故事並非全在講過去。在過去十年間,有件事已經變得很清楚,那就是:倘若廣義相對論是正確的,那麼絕大部分的宇宙就是黑暗的。宇宙中充斥著一些不僅不發射光,也不會反射或吸收光線的物質。觀測上的證據已經非常充分,讓人無可抵賴。將近三分之一的宇宙似乎是由暗物質(dark matter)所構成,那是沉重、無法被看見、像忿怒的蜂群似的繞著星系飛行的物質;而三分之二的物質則是以太(ether)式的物質,那是能夠將空間推開的暗能量(dark energy);僅有百分之四的宇宙是由我們所熟悉的物質(亦即原子)所構成。我們實在是非常微不足道——我的意思是,如果愛因斯坦的理論是正確的話。但也有可能,我們已經到達廣義相對論的極限,愛因斯坦的理論開始要破裂了。

廣義相對論的故事精采十足

理論物理學家彼此競爭,想要搶先發展出新的大自然基本理論,而愛因斯坦理論在其中扮演著關鍵的角色。弦論(string theory)嘗試走得比牛頓及愛因斯坦更遠,試圖將自然界的每樣東西都整合在一起。弦論所根據的就是複雜的時空結構及高維空間裡的一些奇異的幾何性質。弦論比愛因斯坦理論更加奧祕,許多人把它視為終極理論,但另一些人卻嗤之以鼻,把它看成是羅曼史小說之流,甚至有人認為它連科學都稱不上。弦論就像是與主流宗教分道而馳的一支祕密宗教,如果沒有廣義相對論,就不會有弦論的存在,但許多從事相對論研究的學者卻是用懷疑的眼光來看待它。

暗物質、暗能量、黑洞及弦論,都是愛因斯坦理論的子孫,而且它們已經成為物理及天文學研究的主角。我經常到各大學演講、參加工作坊,並參與歐洲太空總署(ESA)的會議,全世界最重要的一些科學衛星就是由這個機構負責發射的。我漸漸明白我們正身處於現代物理的重大轉型期中。極有天分的年輕科學家正憑藉嫻熟的專業來研究廣義相對論,而他們的專業全都奠基在前一個世紀那些天才的工作上。這些年輕學者利用超強的電腦運算能力,在愛因斯坦理論中挖掘寶藏;探索有可能將愛因斯坦理論從王位上趕下來的另類重力理論;並在宇宙中尋找怪異天體,期待它們可以驗證或推翻廣義相對論的基本教義。

在此同時,相對論領域外的科學家也受到激勵,嘗試去建造一些更巨大的儀器,來幫助我們在太空中看得比以前更遠、更清楚;並且發射人造衛星去看看是否有證據顯示,廣義相對論所預測、亟待證實的古怪現象真的存在。

廣義相對論的故事非常重要、而且精采非凡,很需要有人將它說出來。因為,進入二十一世紀之後,我們正面對許多有關廣義相對論的重大發現以及未解問題。在未來幾年之內,肯定會有某件重要的事發生,而我們需要了解它到底是怎麼回事。我的猜測是:如果二十世紀是量子物理的世紀,那麼二十一世紀將會是愛因斯坦廣義相對論完全發揮的舞臺。

※ 本文摘自《完美的理論》立即前往試讀►►►

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