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爱因斯坦没那幺神,以及为什幺要花钱投资科学研究?《完美的理论

2020-07-23

爱因斯坦没那幺神,以及为什幺要花钱投资科学研究?《完美的理论

来自马来西亚,现居风城。兴趣广泛的生物学家,研究工作之余,嗜好读读书、看看戏、写写作、骑骑车、踏踏青、逗逗猫。

今年二月中,我的脸书涂鸦墙被一个很奇怪的东西大洗版,就是传说中的「重力波」。可是我的同温层太高档了,因为我连重力波是什幺都不知道,完全看不懂,一连被洗了好几天版,我一篇文章都没看过。不过从整个洗版的标题来看,实验上验证重力波,似乎是证明爱因斯坦理论的最后一块拼图之一(或没有「之一」),探测重力波需要用上人类最先进的科技,还有此技术可以用来观测更遥远的天文现象等等。

其实,被重力波洗了一週的版,谁都会好奇吧?所以我去查了资料,维基百科说:「爱因斯坦广义相对论所描述的重力,是时空曲率所产生的一种现象。质量可以导致这种曲率。当物质在时空中运动时,附近的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化会以光速像波一样向外传播。这一传播现象就是重力波。」

而重力波的首个直接探测结果「验证了广义相对论最后一项未被证实的理论预测,同时开启了重力波天文学的新纪元。重力波就此作为一种粒子和电磁波之外的新的探针,将被用于探测过去未能探测到的天体现象,如中子星的诞生、演化以及衰亡以及宇宙诞生之初的图景。」

重力波和爱因斯坦的相对论有关,而相对论也是一部卖座好片的主角之一,那就是《星际效应》(Interstellar)。电影的科学顾问基普‧索恩(Kip Thorne)就是重力物理学家,也是相对论专家。他写了本《星际效应:电影幕后的科学事实、推测与想像》(The Science ofInterstellar),里头有大量细节,但印象中没谈到重力波,或者也只是点到为止。

如果要了解,LIGO团队宣布人类对于重力波的首个直接探测结果之意义,以及科学家探究重力波的历史,《完美的理论:一整个世纪的天才与广义相对论之战》(The Perfect Theory: A Century of Geniuses and the Battle over General Relativity)是很不错的入门,配合《星际效应:电影幕后的科学事实、推测与想像》,差不多可以掌握一个概要。

《完美的理论》作者费瑞拉(Pedro Ferreira)出生葡萄牙,是牛津大学天文物理教授、国王学院资深导师、欧洲太空总署(ESA)顾问,他的研究专长是理论宇宙学与天文物理,研究主题为宇宙大尺度结构的起源、广义相对论、以及暗物质和暗能量的性质。

《完美的理论》基本上就是相对论发展史。

广义相对论颤覆了全人类对宇宙时空的想像,这早就毋庸质疑──不过爱因斯坦获得诺贝尔奬的原因,不是因为划时代的相对,而是对光电效应的贡献。爱因斯坦的狭义相对论,解决了马克士威电磁学和牛顿力学这两个古典物理学的一个重大矛盾,他提出一个违反直觉的方法,就是光速总是不变的,从高速行驶的超音速飞机发射出的光和静止的桌灯发出的光,有一模一样的光速。可是狭义相对论没有提到重力,爱因斯坦在广义相对论里才加入重力考量,也用上更精妙的数学。

但《完美的理论》同时颤覆了我对爱因斯坦的认识。整个社会大众对爱因斯坦有种神话式的崇拜,至少从小我就有这样的印象。小时候,妈妈告诉我,全世界只有三个人懂得爱因斯坦的相对论,我也一直这幺认为,直到上大学。过去还流行过一个都市传说,说我们一般鲁蛇只用了大脑的一成潜力,而爱因斯坦等温拿则用了九成之类的,以致爱因斯坦过世后,他的大脑居然流落在民间好几十年。这些传闻,让爱因斯坦的形象,成为大众心目中一种天才的符号。

爱因斯坦有未尽之志,那就是未完成所谓的「大一统场论」,这似乎是神离世前唯一的遗憾。但读了《完美的理论》,才知道爱因斯坦不但一点也不神,他还犯了许多现在看来是很低水準的错误,包括抱持静态宇宙的观念不短的时间、不相信黑洞曾经存在,他的理论后来被后人不断修正到他自己都不熟的地步,晚年甚至已跟不上近代物理学的发展而一事无成。这不是说爱因斯坦并非顶尖科学家──事实上他绝对是──这只是说明,科学家再顶尖也好,也是人类,并非神明,任何的造神运动都毫无意义。

即使经过了一世纪一系列的重大突破,宇宙仍有太多未知。相对论在物理学界也大起大落,在低潮期,没多少物理学家想要提起。「重力波」的探测有过非常耍宝的时期,《完美的理论》提到约瑟夫‧韦伯(Joseph Weber)几乎独自一人开创了重力波实验的领域,可是他的方法其实不太可靠,但他又极为顽固不灵,所以后来被整个物理学界唾弃。

与我研究的生命科学相较,物理学相对是比较不需要年年改写教科书的领域,普通物理教科书,用十年廿年前的,问题也不大,改版主要会在改图片和排版或习题,不像普通生物学教科书,四、五年就得改版,有些章节几乎是整个重写,为了省钱用旧版教科书,很可能会在考试时闹笑话。不过,这几年粒子和天文物理学有重大发现,例如大强子对撞机证实了上帝粒子存在、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALMA)的启用,以及重力波的首个直接探测结果等等。

这些粒子和天文物理学的研究,聚集了人类最顶尖的天才菁英,当然也烧了很多钱。当然,很多人会质疑为何要烧大钱去做这些科学研究?这不是个容易回答的问题,但想想美国在伊拉克战争上烧掉好几十兆美金的钱,这可以盖几百座大强子对撞机、ALMA和LIGO,结果这些花费激发更多恐怖主义,甚至间接导致IS的崛起和敍利亚的崩溃,搞得鸡飞狗跳、民不聊生。是的,有很多贫穷家庭入不敷出,但那与「百分之一的富人,佔去了超过一半的国家财富」之类阶级问题关係较大,和投资科学研究的关联极小。

为了探测这些粒子和天文现象,科学家和工程师们,必须把人类的科技逼到一个超乎想像的极限,甚至一再挑战极限。人类在科学和工程上的知识,和排他性的物质财富相比,不仅不会排他,甚至还能交流激荡出更高水準的科技。科学家和工程师们挑战探索粒子和宇宙的过程中研发出的超高科技,其中一小部分就能改变民生科技。想像一下:侦测重力波、雷射干涉的侦测技术所需要的超高灵敏度、延续数公里的雷射光不能有超过一个原子的偏移;为了避免人为及自然活动的干扰,减噪所需要配合的各种高科技;超级电脑投入的分析资料需要的高运算能力……这些都是人类科技的好几座里程碑!

因为着重在科学发展历史,《完美的理论》整本书没有半条公式,反而是有很多有趣的故事,非理工专业出身的朋友也应该能读。对我们这些非物理研究者来说,《完美的理论》书上谈到的诸多理论,最重大的意义,不是如何用数学推导出那些公式等等,而是我们如何透过各种理性的工具,来了解这个世界在物质层面的运作,所以《完美的理论》其实该被视为一本人文的书籍,值得对宇宙现象感兴趣的朋友都来读。


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