2016年10月24日 星期一

[讀書] 愛因斯坦:他的人生,他的宇宙


自從愛因斯坦出現之後,人類對這個世界的理解,已經不是直覺可以想像的了。牛頓之所以偉大,是因為他把我們平凡人可以觀察的物理現象,歸納成簡潔的公式。但也因此限制了人類的想像力,誤以為只要能夠精確測量所有數值,就可解開世界上所有的謎團。想不到愛因斯坦把這種自信心完全摧毀。


Walter Isaacson在這本《愛因斯坦:他的人生,他的宇宙》裡面,努力用最白話的語言介紹愛因斯坦最偉大的4+1個科學論點。

首先是在1905年,所謂的奇蹟之年,他提出了四篇論文,對世界造成了四次大衝擊。

1. 光量子的存在:原本科學家們傾向認為光是一種波,或許有些人為了計算方便而引進量子假設,但愛因斯坦明確認定光是由粒子組成,而且有量子的特性:「當光線傳播時,能量不是隨著空間連續傳散,而是由數量有限的量子組成;這些量子在空間呈點狀分布,是以完整的單位出現或消失。」這個觀點奠定了量子力學的基礎,也讓愛因斯坦獲得諾貝爾獎。

2. 分子有多大:前人大多使用氣體測量分子數量和大小,愛因斯坦是第一位用液體成功得到結果的人。這篇論文成為他被引用最多次而且最實用的論文。

3. 原子/分子真的存在嗎:愛因斯坦認為懸浮在液體中的小顆粒(如花粉),之所以會不規則移動(即布朗運動),是受到四面八方的水分子撞擊。根據這個假設,他計算出小顆粒平均每分鐘的移動距離。這個數據獲得他人實驗證實後,是那個年代最有力證明原子和分子真實存在的證據之一。

4. 狹義相對論:非常非常簡短的說,同樣的事件會因為觀察者的運動狀態不同,而觀察到不同的現象。也就是說,連物理學這個讓人以為很客觀的科學,每個人測量到的現象都不客觀。愛因斯坦開啟的新世界,就是從這裡開始偏離直覺的。這個理論可以解釋進行光速旅行為何能保持年輕,並且導出了上個世紀最著名的公式E = mc2。讀到這一章之前,請調整好大腦的狀態,跟著愛因斯坦一起進行思考實驗。


狹義相對論提出的10年後(1915年),在一群競爭對手的進逼下,愛因斯坦以毫釐之差率先提出廣義相對論的計算結果。

5. 廣義相對論:愛因斯坦提出一個方程式,整合了時間、空間、物質、能量的互動關係。原來時間-空間結構不僅不具有絕對性質,還會受到裡面的物體的運動決定,以及反過來也會影響物體的運動。廣義相對論開啟了對宇宙的重新認識,英國科學家愛丁頓趁日食觀測星光偏移弧度,證明廣義相對論修正了牛頓力學。這件事情得到歐美各大媒體報導,讓愛因斯坦成為國際巨星。


雖然有以上的偉大創見,但他卻過不了哲學的關卡,沒能跟上物理學的最新進展。

問題的起源在量子力學,這是一門及其詭異的領域。如海森堡的測不準原理認為:「在我們進行觀察之前,電子沒有明確的位置或路徑。」換句話說,沒有所謂的客觀事實。物理學家波耳就說,物理學關心的不是「自然是什麼」,而是「關於自然我們能說什麼」。愛因斯坦照理說應該要能接受這個前提,因為他年輕時候喜歡休謨和馬赫的哲學觀點:對於無法由感官直接產生經驗的事物,要感到懷疑。所謂的客觀真實,就是無法由感官直接經驗到的東西,只是一種信念,所以理應要質疑這東西的存在。結果他年長之後,改為相信一定有一個獨立於感官的外部真實存在,並認為這是一切自然科學的基礎。也因此他跟不上量子力學的發展,變成一座有豐功偉業的地標,而不是引領方向的導航員。

讀到這裡我也滿汗顏的,因為我也喜歡休謨的論點,但高中學到量子力學的時候也無法接受他用機率描述世界(電子的位置無法確定,只能知道分布在某個形狀的範圍內)。老實說我完全沒有發現自己的立場矛盾。好在愛因斯坦也沒有意識到自己的矛盾,讓我同時有慚愧與解套的感覺。


這本書是人生傳記,除了愛因斯坦的科學成就之外,也提到他的婚姻和政治等等生活面向。可以看到愛因斯坦在其他面向其實是個很平凡的人。容易陷入熱戀、與孩子處不好、政治立場沒什麼創見...等等。其實這些生活面向滿無聊的,讓我很想跳過。但有趣的是,為什麼這麼平凡的人可以在1905年突然撼動整個世界?

我的推測是他之前已經累積很多的思考。他從蘇黎世技術學院畢業後,仍持續閱讀大量科學書籍,同時追蹤最新的理論發展。更重要的是他與兩個志同道合的人組成「奧林匹亞學會」,閱讀許多古典文學和哲學,討論各式各樣的主題。經過多年累積想法,在某一年決定統統寫下來,然後就改變了世界。

其實很多人應該都有類似的經驗,總覺得自己心中有很多特別的想法,但沒空好好寫下來,頂多在日常聊天中或是FB上透漏零星片段。我以寫過幾年部落格的經驗建議,請長期思考自己有興趣的議題,思緒逐漸清晰時,趕快開始動筆寫,一方面可以進一步釐清思維,另一方面可以知道你的想法是不是碰巧能夠改變世界(本部落格看來是沒希望了,但你不妨一試)。請不要讓人類損失了你的智慧。


若有興趣了解愛因斯坦開創的宇宙學領域,推薦《時間簡史》

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