Relativism (Special theory of Relativity)

                    by Vincent CHAN WAI LUNG(1988~  )

愛因斯坦與相對論

1905年他發表＜分子尺度的新測定＞論文，使他取得蘇黎世大學的哲學博士學位。後來又發表＜論動體的的電動力學＞，此篇就是愛因斯坦花十年功夫才探索完成的狹義相對論。其論文內容主要是認為如果對於所有參照系的光速都是定值，且自然定律均相同，則時間和運動對觀察者而言都是相對的。＜物理慣量和能量的關係＞，此文是讓狹義相對論做為數學上的註腳，它確立了質能的關係即E＝mc^2。1916年他任職於柏林的普魯士科學院時，發表了一篇＜廣義相對論基礎＞，此文的中心思想，認為引力是因質量的存在而引起的時-空連續場的彎曲，後來受到證實，因而贏得巨大的國際聲譽。愛因斯坦在大陸的上海收到電報通知，肯定他在光學和理論物理的成就，在1921年拿到諾貝爾物理學獎，但因相對論仍備受爭議，故沒在授獎提議中被提及。以後他耗盡畢生精力於研究引力場和電力場之關係，企圖建立統一場論，但終究未獲成果。1930年，他擔任牛津大學的短期教授期間，他花在為和平主義活動的時間較討論科學多。他曾和泰戈爾討論過真理的問題，泰戈爾認為真理須靠人實踐，而愛因斯坦則認為科學的真理本身便具有超乎一般人的客觀性。1933年在希特勒掌權後，他便放棄了德國的國籍，而接受美國普林斯頓大學之邀轉赴美國且取得美籍。1939年因他得知德國人發現核分裂可製核武，他便寫信請羅福斯總統注意，促使美國開始製造原子彈。愛因斯坦的一生貢獻於人類對宇宙的認識上是無所匹敵的，被確認為人類歷史上的科學巨人。他於1955年4月18日在普林斯頓逝。

因相對論而引出的問題很多，例如

中央大學天文研究所教授闕志鴻這樣說:

「宇宙的起源是一場大爆炸，它炸開了空間，也創造了時間；星系、星球、地球、空氣、水和生命就在這個時空裡漸漸形成。」這是連愛因斯坦都相信的理論。但這個學說在最近一、兩個星期內開始受到嚴厲的挑戰和質疑。如果大霹爆理論是正確的，那麼這個空間裡所有的物質應該生於大爆炸之後，這是個因果關係。雖然愛因斯坦的相對論原則上不需有絕對的時間和空間，但是如果宇宙有一個起源，它就有一個絕對時間的原點，破壞了時間的相對性，所以這個因果律便是一個絕對的定律。最近美國的哈伯太空望遠鏡觀測到一些現象，顯示這個絕對的因果律出了問題。也就是說宇宙可能沒有起源，就像相對性的空間一樣，時間也是沒有原點，時間也不是絕對的。

哈伯太空望遠鏡的觀測顯示，如果宇宙真是由大爆炸所造成的，那麼爆炸距現在的時間是小於很多老星球的年齡。最老星球的年齡可達一百六十億年，但觀測顯示爆炸的時間頂多是一百二十億年前而已。這個發現上星期在英國的``自然''雜誌發表，引起天文物理界莫大的震撼。

從二十世紀初以降，包括愛因斯坦在內的大部分天文物理學家都相信，宇宙是由大爆炸所產生；由於質能互換原理，爆炸的能量最後轉為物質。這個學說建立於三個重要的基石上。第一個，由數學上證明廣義相對論只容許唯一的解，這個數學解就是在時間的原點，整個宇宙的大小是一個點，大爆炸炸開了一個三度空間。由於空間以一定的速率不斷的膨脹，因此整個空間瞬間的大小也給了時間一個指標和定義。這就像武俠小說中``半柱香的時刻''，以一柱香的長短來測量時間是一樣的。第二個基石是，美國天文學家哈伯在愛因斯坦發明了相對論的二十年後，發現了宇宙是在膨脹，並且越遠的星系膨脹的速度越快。這個發現大致吻合相對論的數學解。第三個基石最具關鍵性，在七十年代，美國的天文學家發現了宇宙的背景輻射。由於宇宙的膨脹，大爆炸時的熱能目前應已降到絕對溫度數度左右，符合觀測結果絕對溫度2.7度。從此，天文物理學家發展了一套標準模型，來解釋這個膨脹的空間裡一切物質的起源。但是宇宙到底確實膨脹多快，哈伯便無法確定。這個缺憾預留了一些空間讓以後的天文物理學家去發展另一套不同於愛因斯坦相對論的學說。但是這些學說都是非主流的。美國哈伯太空望遠鏡的主要任務也就是要彌補當年哈伯觀測的缺憾，要決定目前宇宙在單位距離內膨脹的速度。星球在膨脹空間裡的分佈就像一些分佈在正在膨脹的氣球表面的點一樣。點與點之間的距離會因膨脹而變大，分離的速度不但和氣球膨脹的速度成正比，也和點與點之間的距離成正比。距離越大的兩點，它們之間分離的速度越大。所以若不知任意兩點之間的距離，只光知道兩點分離的速度是無法知道整個氣球膨脹的速度。同樣的，若欲決定宇宙膨脹的速度，我們不但要知道星球之間分離的速度，也要同時知道星球之間的距離。天文學家可用所謂的都卜勒效應來測量任一星球遠離地球的速度。但是，星球與地球之間的距離便不容易決定。因此哈伯常數（單位距離內的膨脹速率）相當難決定出來。

在``自然''雜誌上的發現，為室女星系團內的上千顆造父變星。變星是光度有週期性變化的恆星，愈大的變星，週期愈慢，可是愈大的星愈亮。所以變星的週期和絕對亮度有一定的關係，而造父變星的週期和絕對亮度之間的關係可以很準確的決定出來。但是，星球距地球越遠看起來越暗，因此觀測到的亮度並不是星球本身的絕對亮度。若是有辦法知道星球的絕對亮度，再加上觀測到的量測亮度，星球的距離便可知道。在天文學上，遠距離是無法被直接測量的，造父變星提供了一個絕佳的機會來測量距離。天文學家可以量遙遠變星的週期，大致上是幾十天之譜，從而決定變星本身的絕對亮度，再和觀測到的亮度相比，變星和地球之間的距離即可決定。

室女星系團距地球相當遠，為幾千萬光年之遙，因此膨脹的速度可以相當快，且可以利用都卜勒效應準確的測量出來。要是它的距離亦可被準確測量出來的話，哈伯常數便可準確地決定，大爆炸距現在的時間上限便也能決定。上星期發表的造父變星讓天文學家準確地決定哈伯常數。宇宙在單位距離內膨脹的速率為每一百萬光年27公里。它也代表大爆炸至早發生在一百二十億年前。但是，天文學家又知道，銀河系中的一些古老的星球年齡為一百六十億年。這代表星球需要生於大爆炸之前。這個結果不符合因果律，因此大爆炸標準模型受到質疑。這個發現也讓非主流學說有一個發展的空間。

其實，在邏輯的結構上，非主流派中的主流理論是可以和愛因斯坦的相對論相比美。如上所述，相對論的宇宙觀是空間是相對的，沒有原點，但時間是絕對的，有一個原點。相對論的宇宙觀並且認為，宇宙的總能量守恆，沒有憑白無故冒出多餘的能量，也不能損耗總能量。但是另一個學說卻認為時間和空間是相對的，兩者都沒有原點，所以宇宙是在一個時空的平穩狀態中存在。在這種理論架構下，時間和空間有完整的對稱性。為了要解釋宇宙膨脹，這個學說必須放棄能量守恆的想法。它認為能量是可以無中生有，並且越來越多，物質也可以無中生有，愈來愈多。這就好像宇宙中蘊藏著無數的湧泉，隨時隨地冒出物質來。這些湧出的物質必須往外流，因此宇宙膨脹。因為物質隨時湧出，所以不需要一個時間的絕對原點；物質隨地湧出，所以空間也沒有絕對原點。這個學說不需要大爆炸便可以解釋宇宙的膨脹，並且也可以解決宇宙年齡的問題。可是，這個學說必須面對一個挑戰，那就是如何解釋宇宙背景輻射的溫度。在1970年代，這個大爆炸理論的第三個基石是此學說的致命傷。在不久的將來，此學說會不會因上星期的發現而敗部復活？我們可以拭目以待。

相對論宇宙模型或上述非主流的平穩態宇宙模型，對有創意的天文物理學家而言，絕非是個二選一的答案。其實，一般相對論的教科書上都不會提到廣義相對論本身是有些缺陷的。從時空的完美對稱性來看，它有上述需要時間原點的問題。除了時間、空間的問題之外，從物理學的相對性原則而言，它也有另一個問題，所謂的慣性座標問題。十九世紀末，一位澳洲科學家馬克提出一個宇宙學的問題。我們舉目觀星，如果連續看一、兩個鐘頭，就會發現群星繞著北極星轉。馬克問道：「到底這是因為地球自轉造成的，還是群星真的繞著地球旋轉？」這個問題乍看之下相當不智，因為這像是十六世紀哥白尼時代的問題：「到底是地球繞著太陽轉，或是太陽繞著地球轉？」標準答案當 然是地球自轉所造成的。但是馬克又道：「如果一切物理現象都是相對的，地球自轉和群星繞地球轉就必須是一體的兩面。」舉例來講，要是你繞著原地自己旋轉，你會感覺頭暈，但是如果你站著不動，而周遭所有的物體都繞著你轉的話，你也將會感到頭暈。馬克認為一個理想的宇宙模型應該能具有這個特性，一切都是相對的，轉動也是相對的。這便是所謂的馬克原則。愛因斯坦自己也承認，他是受到馬克原則的啟發才發明廣義相對論。但是，不幸的是相對論無法做到馬克原則的要求。相對論的宇宙必須很清楚地標示到底宇宙本身轉不轉。現存的標準宇宙模型是採取宇宙不轉。所以我們對群星繞天的標準解釋才會是地球自轉。附帶說明一點，至今還沒有任何一個宇宙模型可以完全符合馬克原則，上述的平穩態宇宙模型也不例外。

雖然，最近的發現，開始讓天文物理學家對現存的標準理論提出質疑，但我們還需要一連串進一步的觀測證據，才能宣判標準模型的對否。在未來的幾年，國際的天文學界必然有一番激烈的競爭，看那一個國家或那一個研究群能搶先掌握這個問題的答案。同時，在宇宙學的理論模型方面，亦會有百家爭鳴的機會。

另外，相對論發表至今，已漸被物理學家瞭解與接受，但對絕大多數人而言，仍然只是一個模糊的概念。事實上，相對論所敘述的內容，不單是科學上、物理上的，更是生命上、心靈上的，我們豈可輕易錯失這個開啟智慧的機會。

首先，愛因斯坦說物質是能量的一種體現，兩者之間可相互轉換，原子彈與核子彈即利用此原理發展而來。其次，相對論告訴我們，物體速度增大後，其時間會膨脹、空間會縮小，且時間與空間並不是單獨存在的兩件事，而是共同形成宇宙架構的「時空連體」。地球會繞日而行，並非受到萬有引力之影響，而是在「時空連體」中依其最好走的路徑運行。

愛因斯坦的數學老師閔可夫斯基，也因著相對論的發表，經由嚴格數學推論獲得令人驚奇的結論：在「時空連體」中，對每一個體而言，所有過去與未來的一切，都在一個點上相會，而且永遠相會，這個點就是「現在」。此外，每一個體的「現在」都有一定的地方，在他處尋覓不著，那地方就是「這裡」。

現在，讓我們由生命與心靈的角度，來分享愛因斯坦的智慧。因為物質均由電子、質子、中子等基本粒子組成，但此等粒子則是由能量以不同形式轉化組合而成。所以，構成宇宙的最基本材料根本不存在，如果勉強說有的話，只能說那基本材料是「能量」。正如金剛經所言。「凡有所相，皆是虛妄」。我們所說之「力」亦不存在，大至星體運行，小至光子運動，甚至我們的喜怒哀樂、思考與判斷，都在「時空連體」之中依其最好走的路自然運行，絲毫不牽強。也就是說，凡事都在圓滿之中，我們從未片刻脫離圓滿。你今天會看到本文，那是因為你在「時空連體」中圓滿的走你最好走的路；無論你若有所穫或是更加迷惑，亦均是在圓滿之中。

閔可夫斯基的論證則告訴我們一項修行悟道的首要關鍵「當下」。許多修行者致力追尋生命的意義，鑽研各種法門詳加歸納比較，但最後仍然必須回歸「當下」。因為只有「現在」與「這裡」才是我們能掌握的、才能展現出生命的意義。捨近求遠，徒增虛妄，亦如金剛經所云：「一切有為法，如夢幻泡影，如露亦如電，應作如是觀」。