完美的相對論

今年二月中，我的臉書塗鴉牆被一個很奇怪的東西大洗版，就是傳說中的「重力波」。可是我的同溫層太高檔了，因為我連重力波是什麼都不知道，完全看不懂，一連被洗了好幾天版，我一篇文章都沒看過。不過從整個洗版的標題來看，實驗上驗證重力波，似乎是證明愛因斯坦理論的最後一塊拼圖之一（或沒有「之一」），探測重力波需要用上人類最先進的科技，還有此技術可以用來觀測更遙遠的天文現象等等。

其實，被重力波洗了一週的版，誰都會好奇吧？所以我去查了資料，維基百科說：「愛因斯坦廣義相對論所描述的重力，是時空曲率所產生的一種現象。質量可以導致這種曲率。當物質在時空中運動時，附近的曲率就會隨之改變。大質量物體運動時所產生的曲率變化會以光速像波一樣向外傳播。這一傳播現象就是重力波。」

而重力波的首個直接探測結果「驗證了廣義相對論最後一項未被證實的理論預測，同時開啟了重力波天文學的新紀元。重力波就此作為一種粒子和電磁波之外的新的探針，將被用於探測過去未能探測到的天體現象，如中子星的誕生、演化以及衰亡以及宇宙誕生之初的圖景。」






重力波和愛因斯坦的相對論有關，而相對論也是一部賣座好片的主角之一，那就是《星際效應》（Interstellar）。電影的科學顧問基普‧索恩（Kip Thorne）就是重力物理學家，也是相對論專家。他寫了本《星際效應：電影幕後的科學事實、推測與想像》（The Science ofInterstellar），裡頭有大量細節，但印象中沒談到重力波，或者也只是點到為止（請參見〈讀完這本書，你會再看一次《星際效應》〉）。

如果要瞭解2016年2月11日，LIGO團隊宣布人類對於重力波的首個直接探測結果之意義，以及科學家探究重力波的歷史，《完美的理論：一整個世紀的天才與廣義相對論之戰》（The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle over General Relativity）是很不錯的入門，配合《星際效應：電影幕後的科學事實、推測與想像》，差不多可以掌握一個概要。

《完美的理論》作者費瑞拉（Pedro Ferreira）出生葡萄牙，是牛津大學天文物理教授、國王學院資深導師、歐洲太空總署（ESA）顧問，他的研究專長是理論宇宙學與天文物理，研究主題為宇宙大尺度結構的起源、廣義相對論、以及暗物質和暗能量的性質。

《完美的理論》基本上就是相對論發展史。

廣義相對論顫覆了全人類對宇宙時空的想像，這早就毋庸質疑──不過愛因斯坦獲得諾貝爾奬的原因，不是因為劃時代的相對，而是對光電效應的貢獻。愛因斯坦的狹義相對論，解決了馬克士威電磁學和牛頓力學這兩個古典物理學的一個重大矛盾，他提出一個違反直覺的方法，就是光速總是不變的，從高速行駛的超音速飛機發射出的光和靜止的桌燈發出的光，有一模一樣的光速。可是狹義相對論沒有提到重力，愛因斯坦在廣義相對論裡才加入重力考量，也用上更精妙的數學。

但《完美的理論》同時顫覆了我對愛因斯坦的認識。整個社會大眾對愛因斯坦有種神話式的崇拜，至少從小我就有這樣的印象。小時候，媽媽告訴我，全世界只有三個人懂得愛因斯坦的相對論，我也一直這麼認為，直到上大學。過去還流行過一個都市傳說，說我們一般魯蛇只用了大腦的一成潛力，而愛因斯坦等溫拿則用了九成之類的，以致愛因斯坦過世後，他的大腦居然流落在民間好幾十年。這些傳聞，讓愛因斯坦的形象，成為大眾心目中一種天才的符號。

愛因斯坦有未盡之志，那就是未完成所謂的「大一統場論」，這似乎是神離世前唯一的遺憾。但讀了《完美的理論》，才知道愛因斯坦不但一點也不神，他還犯了許多現在看來是很低水準的錯誤，包括抱持靜態宇宙的觀念不短的時間、不相信黑洞曾經存在，他的理論後來被後人不斷修正到他自己都不熟的地步，晚年甚至已跟不上近代物理學的發展而一事無成。這不是說愛因斯坦並非頂尖科學家──事實上他絕對是──這只是說明，科學家再頂尖也好，也是人類，並非神明，任何的造神運動都毫無意義。

即使經過了一世紀一系列的重大突破，宇宙仍有太多未知。相對論在物理學界也大起大落，在低潮期，沒多少物理學家想要提起。「重力波」的探測有過非常耍寶的時期，《完美的理論》提到約瑟夫‧韋伯（Joseph Weber）幾乎獨自一人開創了重力波實驗的領域，可是他的方法其實不太可靠，但他又極為頑固不靈，所以後來被整個物理學界唾棄。

與我研究的生命科學相較，物理學相對是比較不需要年年改寫教科書的領域，普通物理教科書，用十年廿年前的，問題也不大，改版主要會在改圖片和排版或習題，不像普通生物學教科書，四、五年就得改版，有些章節幾乎是整個重寫，為了省錢用舊版教科書，很可能會在考試時鬧笑話。不過，這幾年粒子和天文物理學有重大發現，例如大強子對撞機證實了上帝粒子存在、阿塔卡馬大型毫米波／亞毫米波陣列（ALMA）的啟用，以及重力波的首個直接探測結果等等。

這些粒子和天文物理學的研究，聚集了人類最頂尖的天才菁英，當然也燒了很多錢。當然，很多人會質疑為何要燒大錢去做這些科學研究？這不是個容易回答的問題，但想想美國在伊拉克戰爭上燒掉好幾十兆美金的錢，這可以蓋幾百座大強子對撞機、ALMA和LIGO，結果這些花費激發更多恐怖主義，甚至間接導致IS的崛起和敍利亞的崩潰，搞得雞飛狗跳、民不聊生。是的，有很多貧窮家庭入不敷出，但那與「百分之一的富人，佔去了超過一半的國家財富」之類階級問題關係較大，和投資科學研究的關聯極小。

為了探測這些粒子和天文現象，科學家和工程師們，必須把人類的科技逼到一個超乎想像的極限，甚至一再挑戰極限。人類在科學和工程上的知識，和排他性的物質財富相比，不僅不會排他，甚至還能交流激盪出更高水準的科技。科學家和工程師們挑戰探索粒子和宇宙的過程中研發出的超高科技，其中一小部分就能改變民生科技。想像一下：偵測重力波、雷射干涉的偵測技術所需要的超高靈敏度、延續數公里的雷射光不能有超過一個原子的偏移；為了避免人為及自然活動的干擾，減噪所需要配合的各種高科技；超級電腦投入的分析資料需要的高運算能力……這些都是人類科技的好幾座里程碑！

因為著重在科學發展歷史，《完美的理論》整本書沒有半條公式，反而是有很多有趣的故事，非理工專業出身的朋友也應該能讀。對我們這些非物理研究者來說，《完美的理論》書上談到的諸多理論，最重大的意義，不是如何用數學推導出那些公式等等，而是我們如何透過各種理性的工具，來了解這個世界在物質層面的運作，所以《完美的理論》其實該被視為一本人文的書籍，值得對宇宙現象感興趣的朋友都來讀。


本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】，並同步刊登於泛科學。