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【中時電子報獨家披露-科學人物理特刊】 愛因斯坦 小職員大遺澤 愛因斯坦（Albert Einstein）可說是20世紀物理學的代表人物。當愛因斯坦的相對論全然推翻時空的絕對性，在此之前，時空具絕對性的論點主宰了物理學界達兩世紀之久。 物理奇蹟年【吳俊輝-中時張毅民】94.10.101905年愛因斯坦發表了五篇重要論文，對後世科學甚至日常生活有了重大的影響。因此聯合國將科文組織為紀念愛因斯坦，訂2005為世界物理年。1905被成稱為物理奇蹟年，除了相對論外，光電效應其實才是愛因斯坦獲得諾貝爾獎的論文。.撰文斯蒂克斯翻譯王孫崇（中央研究院物理研究所博士後研究員，主要研究實驗核子物理、複雜系統及生物資訊）（更多詳細內容，請看本期科學人） 科學人世界物理年特刊 當時，這位26歲的專利局辦事員除了幾年前才被退回的博士論文之外，並沒有什麼研究成果；他也只在閒暇時間，或在上班時間偷空從事物理研究。但是他卻魯莽地宣稱當代物理學家膚淺，並且努力驗證他的論點。除了狹義及廣義相對論之外，他的其他著作也推動了量子力學及現代統計力學的發展。愛因斯坦的研究還提供分子存在及其行為的證據，讓化學及生物科技受益匪淺。 讓人訝異的是，這些高見有許多都是出現在1905年這奇蹟的一年中，愛因斯坦所發表的一系列論文裡。如此豐碩的個人科學成就，史上僅有一例可與之比擬，就是最早被稱為奇蹟年的1665 66年，那時牛頓待在家鄉躲避瘟疫，因而開始他在微積分、重力論及色彩理論的奠基工作。國際物理學界已經宣佈2005年為世界物理年，以紀念愛因斯坦的百年貢獻。 物理及工程界裡諸多領域的科學家，窮盡整個20世紀來測試、了解並應用愛因斯坦的想法。眾所周知，愛因斯坦的質能互換公式（ E=mc2）是原子彈原理，以及所有因原子彈而衍生之歷史故事的核心。愛因斯坦對光電效應的解釋，也為光電二極體和電視映像管等技術奠下了基礎。100年後的今天，科技人員仍然在嘗試利用愛因斯坦的理論來開發新事物。 透過實驗充份探究一項新理論所需的時間長短，可當做衡量一個天才的標準；從這角度來看，愛因斯坦的評價還在往上衝：一個用來檢驗廣義相對論各項預測的探測器最近才發射。然而，物理學家並不會等到所有答案都出現了才問下一個問題。目前物理學界最熱切的目標，就是超脫於愛因斯坦之外：超越愛因斯坦的想法，並解開愛因斯坦花了30年直到臨終仍未能解決的難題。很明顯的，廣義相對論和粒子物理並無法完整描述物理學，因為粒子物理的本質是量子力學，把廣義相對論和量子放在一起，就像油和水般不相容。愛因斯坦努力了數十年，卻仍然找不到能夠統合相對論與電磁學的理論架構。他希望找出具確定性的物理學，而不像量子力學是架構在或然率和非因果性之上，也因為如此，所以他離開了量子力學這個他協助建立的學科。 然而，現今一代的科學家對基本作用力的了解比愛因斯坦更全面，而且面對挑戰時也不會對量子力學預設偏見，因此他們正奮力發展自己的統合理論。至於成功的獎勵，對勝出的物理學家來說，就是如同愛因斯坦和牛頓般英名不朽；對一般人而言，則是得以一窺宇宙的本質和嶄新的技術，雖然這些內容對我們來說，就像黑洞與量子電腦對於百年前的人一樣，是那麼的深奧難懂。 想超越愛因斯坦，就必須了解他的所有成就。1905年春天，這位自嘲是專利局奴役的年輕人，寫了一封信給朋友哈比希特（Conrad Habicht），說他有一堆不重要的嘮叨要發，意指他將寄出一系列論文。其中他唯一指稱很有革命性的一篇，與相對論無關，但卻為他贏得1921年諾貝爾獎，並於1922年領獎。 那就是1905年3 月完成的一個關於光的產生與轉換的啟發性看法，將普朗克（Max Planck）的量子理念加以推廣。所謂普朗克量子說，是指發熱物體的能量具有特定的不連續能階，因此其發射或吸收的能量是不連續的。這是1905年愛因斯坦發表的五篇重要論文之一，他利用量子概念來解釋光電效應，說明帶靜電的金屬被光照射時會釋放電子的原因。他認為光是由粒子（即後來所知的光子）組成，這與當時認為光是波的主流思想大相逕庭。這篇論文發表於1905年6月的物理年報，為光的粒子波動二重性鋪下道路，而這二重性正是量子力學的基礎。後來，光電效應也成為許多技術的根基。 那時愛因斯坦還沒有拿到博士學位。瑞士蘇黎士大學退回了他在1901年遞交的博士論文，那是關於氣體運動理論的尋常研究。愛因斯坦幾乎放棄了他稱為喜劇的博士學位計畫，但1905年他決定再試一次。根據他的妹妹馬雅所說，愛因斯坦先遞出他的狹義相對論，但是蘇黎士大學覺得這有點不可思議。 於是他就挑了4 月30日完成的決定分子維度的新方法，這篇終於在7月被接受。據說這篇論文的靈感，是愛因斯坦在他與好友貝索（Michele Besso）茶敘時得到的，席間愛因斯坦沉思液體黏度與被溶解的糖分子大小的相關性。他詳加思索大量的這類分子後，推導出一個量度擴散速度的數學項，然後從擴散係數和溶液的黏度，就可以導出糖分子的大小。 做完這篇論文後幾天，愛因斯坦完成了另一篇相關論文，為確定大小之原子的存在提供保證。在當時，對某些人來說，原子還是個具有爭議的概念。 這篇發表於1905年7月份物理年報的靜止液體裡的懸浮小粒子運動，需要熱的分子動力理論，提供一個估計已知體積液體中的分子數目及質量的方法，並說明這些分子如何快速運動。這種不規則的運動稱為布朗運動，因布朗（Robert Brown）於19世紀初首先觀察到水中的花粉會無規律亂動而命名。愛因斯坦認為水分子的運動相當激烈，因而推擠到懸浮粒子，從顯微鏡下看起來就好像是懸浮粒子在舞蹈一般。這篇對現代統計力學很有貢獻的論文，衍生出一些方法，可以用來模擬空氣中污染粒子的行為，或是股票市場的漲跌。 他的下一篇論文完成於6 月底，標題是關於運動中物體的電動力學。早在愛因斯坦之前幾百年就有了相對論，伽利略於1632年就說，無論你的移動狀態為何，只要運行速度保持不變，所有的物理定律就不會改變。例如，在一艘定速航行的船上，一顆從船桅上掉落的石頭，站在甲板上看來會是筆直落下；就如同船是靜止不動時所發生的一樣。 這個相對論適用於17世紀中葉牛頓所提出的力學，但在19世紀末電磁學出現後，卻遭受到嚴厲的挑戰。因為馬克士威（James Clerk Maxwell）的方程式顯示，電磁輻射在空間中以波的方式移動。物理學家假想電磁波是經由以太（ether）這種介質來傳播，就像聲波是透過空氣傳音一樣。 馬克士威論證，相對於以太裡的某靜止參考點，光和其他電磁波在真空中以每秒三億公尺的速度前進。然而，在一個以太的世界裡，相對論卻不適用於光，一旦你不再靜止不動，光速就不再是每秒三億公尺。但實驗學家卻無法量到那預期的光速差異，光的速度始終維持不變。 愛因斯坦解決了這項電磁學與其他物理學不調和的問題。對於這樣一位極具美感的科學家來說，他無法忍受這種相對論可解釋牛頓力學，卻不能解釋電磁學的情形。 這篇發表在1905年9月物理年報的狹義相對論論文，把相對論應用在電磁學，並建立光速的恆常性，來重申相對論適用於所有的物理學。這篇論文解決了與相對論的衝突，卻製造出另一個有違直覺常識的新衝突：不論是對一個坐在門前搖椅，或是待在以趨近光速飛馳的太空船裡的人而言，光速都是相同的。 這種光速的恆常性，摧毀了我們視時空為絕對不變的概念。速度是距離除以時間。當一位觀察者在其參考座標系（搖椅）注視著另一個在其他參考座標系中移動的人（太空船裡的太空人）時，如果光速要維持不變，則距離（長度）和時間都必須改變。明確地說，搖椅中的人會覺得頭頂上太空人的時間過得比較慢，還會覺得那艘太空船在其運動方向看來顯得較短。 如果坐搖椅的人可以測量飛馳中太空船裡太空人的質量，他會發現太空人的質量比起飛前增加了。在那奇蹟年愛因斯坦提出的第五篇、也是最後一篇論文，發表在11月的物理年報，是他對先前那篇狹義相對論作品的補充，文中他說：物體的質量是其能量的刻度。1907年，愛因斯坦將這個概念以另一種方式描述，而成為有史以來最有名的科學方程式， E=mc2。它也適用於動能，也就是運動的能量。相對於搖椅中的人，當太空船跑得越快，它的動能就越大，質量也越大，於是再加速的難度也增大。 當船速已接近光速時，要再增速所需要的能量極為巨大，加速變成太空船越來越大的負擔。這就是超光速飛船至今仍被歸為科幻的原因。 過了1905年，最精彩的才要到來。廣義相對論發表於1916年，這項智慧成就讓愛因斯坦（或牛頓以外的任何物理學家）先前和之後所有工作都黯然失色。數學家龐卡赫若不是拒絕放棄以太這最後的關鍵，幾乎可以贏過愛因斯坦的狹義相對論。 狹義相對論調和了牛頓力學與電磁學的不相容之處，但是只適用於等速直線運動的物體。然而，真實世界中的物體是會改變速度與方向的，因此我們需要一個適用於真實世界的廣義相對論。 也就是說，這個理論必須考慮到加速度，包括那無所不在的重力加速度。牛頓視重力為越過長距離而瞬間起作用的力，愛因斯坦則把它想像為時空的一項內在性質。一顆恆星或是任何重的物體，都會使其周圍的時空彎曲，而行星就在這彎曲的時空連續體中運行。 美國自然史博物館天體物理組主任夏拉（Michael Shara），是不久前愛因斯坦展覽會的負責人，他說：質量會彎曲時空，以及彎曲的時空會告訴質量如何運動，這樣的觀念真是天才。物理學家終究會從衛星和波霎的測量中，發現廣義相對論的效應，但那或許是20世紀末的事了。即便那時，愛因斯坦對重力的簡潔幾何描述，或許還沒能被全然仿製。 廣義相對論發表後不久，1919年一個趁著日食的實驗，觀察到太陽的重力場讓通過它的星光偏向，證實了廣義相對論的預測。廣義相對論的證據讓愛因斯坦瞬間成為媒體眼中的巨星，雖然擠在人群中想一窺他真面目的人，有許多其實都說不清楚這位科學家到底成就了什麼。 據非正式傳聞，愛因斯坦曾說世上只有12人了解相對論；就算他真的如此說了，這樣小的數目還是有點誇張。很快地，世上就出現了一群忠實的愛因斯坦迷。Scientific American甚至發起一個吸引了數百人參加的比賽，能夠以最容易理解的方式解釋相對論的人，即可獲得5000美元。愛因斯坦開玩笑說，他是他那群朋友中唯一沒有參加的，他的藉口是：我不相信我做得到。 1916 25年，愛因斯坦為量子論做出了新貢獻，包括最終導致雷射的受激輻射的研究。但當量子力學對次原子粒子世界的描述，竟是擁抱統計機率而不是因果關係，他便清醒過來。在愛因斯坦生命的後期，直到他1955年去世前，他一直專注於發展一個統一的場論，不僅要闡釋重力場和電磁場是一體的兩面，還要解釋基本粒子以及電子電荷和光速等常數的存在。 這些後來證明是徒勞無功。一部份原因是愛因斯坦拒絕量子物理採用的新方向，另一部份原因是一直到他死後幾年，強核力與弱核力這兩種基本核作用力才得到較充份的理解。佛興（Albrecht Folsing）在1993年的一篇傳記中這麼說到：即使是愛因斯坦的忠實崇拜者也不否認，要不是這位當時無可爭議的最偉大科學家，把他最後30年的光陰（大約從1926年開始）浪費在航行上，物理的進展也不會那麼不順遂。帆船是愛因斯坦的一項嗜好。 其他人比較寬大，認為可能是這位物理學家已經超越了他的時代。曾擔任愛因斯坦論文解說員的羅森克蘭斯（Zees Rosenkranz）評論：持續追尋統一的理論，是愛因斯坦留給科學界最有意義的遺產。 這種追尋至今仍是理論物理學界一些頂尖人員的研究主題。物理學家持續糾集複雜的數學，來解釋自然界的所有作用力。他們甚至引用卡魯扎（Theodor Kaluza）及克萊恩（Oskar Klein）的五維宇宙想法，並加以延伸。那個五維宇宙的想法，在愛因斯坦探尋統一場論的過程中，也曾引起他的注意。 另一方面，持續尋找相對論的衝突，也可能是一條最佳途徑，可提供實驗線索，把量子力學和重力融合成為一個單一理論。 還有，重振愛因斯坦的宇宙常數（一種產生排斥力的能量），對試圖找出暗能量關鍵的宇宙學來說，仍是首要的課題。如果說愛因斯坦對統一場論的追求是早熟的，那麼他晚年則成功利用他的名望來推銷他所關切的事務。他無法理解為什麼全世界的人這麼著迷於相對論，它敘述的是物理世界，並且與文化相對論者對時空的主觀心理觀點無關。他評論道：相對論的概念和問題都與實際生活距離這麼遙遠，我從來不了解為什麼它會在廣泛人群間引起這麼久的熱烈迴響。 他的名聲確實讓他暢談和平主義、世界政府，以及反對納粹發展原子彈計畫的必要性。引領他從結合了牛頓力學與馬克士威電磁學的相對論，到一個統一場論的這種渴望，也同樣注入到他的生活之中。美國哈佛大學著名的愛因斯坦學者霍頓（Gerald Holton）表示：愛因斯坦的政治理念、社交活動，乃至日常生活也都和他的科學一樣，處在一種強制的統一之中。 假如愛因斯坦突然從扭曲的時空跑到現世，他可能根本不會對全世界都在慶祝奇蹟年感到驚喜。對想法比對媒體有興趣的他，可能會從耶路撒冷