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二十世紀偉大物理學家愛因斯坦,1915年完成了他尋思經年的廣義相對論,第二年他正式發表那個公認偉大的科學理論,因此今年便是愛因斯坦完成廣義相對論的一百年。有一個說法認為,相對論是談論的最多,但是最少人了解的物理理論,這或許正是愛因斯坦在世界上有著神奇地位的道理之一。

愛因斯坦在他晚年的回憶錄中,談論了他構思廣義相對論的過程。愛因斯坦是1907年開始尋思廣義相對論,首先說起在發表狹義相對論之後,他回想狹義相對論是如何產生,首先經由大約一百年的許多實驗現象,得出電磁現象的四個定律,然後到十九世紀中葉,馬克斯威爾寫下了偉大的電磁方程,再來是1905年人們瞭解了馬克斯威爾電磁方程中的美妙對稱性。

愛因斯坦說1907年他想到,為什麼我們不能反轉這個過程,先由對稱性入手,然後導出一個與此對稱性相合的方程式,再設計實驗看看是否能與這些方程式有一致性。

結果愛因斯坦花了八年時間才有結果。他將重力描述為一種時空的黎曼幾何屬性,廣義相對論的一個推論,是光線在重力場中會產生的彎曲效應,這個預言在廣義相對論發表之後三年,由英國著名物理學家艾丁頓(Arthur Eddington)領導的非洲日蝕觀測所證實,觀測結果在倫敦英國皇家學會宣布的時候,那種興奮的氣氛,喻示著二十世紀初一種對物理科學未來希望的憧憬。

後來有科學歷史學家探究艾丁頓的這一次歷史性科學觀測,發現艾丁頓當時所使用的照相底片,可以接受的溫度誤差只有華氏十度,而當時他領導觀測團隊所在的西非外海普林西比島晝夜溫度誤差卻有華氏二十二度,也就是說就科學實驗的標準來看,那一次的觀測並不具有證實愛因斯坦廣義相對論的效用。當然在二十世紀後來又做過許多次日蝕觀測,準確驗證了愛因斯坦的廣義相對論,這個故事的啟示是,科學理論和實驗知識都不可避免社會人為的建構因素。

艾丁頓是英國著名的物理學家、數學家,也是科學哲學家和天文學家,他受到愛因斯坦廣義相對論的影響,1923年寫了一本經典的談論時空數學理論的書,著名的物理學家戴森(Freeman Dyson) 在他的一篇文章裡曾經說,他在劍橋大學曾經聽過艾丁頓講廣義相對論的課,戴森說那是一個十分精彩的課,但是艾丁頓晚年卻陷入一個他自己構思的科學玄想理論之中,不可自拔。

楊振寧在他一篇《二十世紀物理對稱概念的萌生》文章中說,愛因斯坦的廣義相對論,可以說是「對稱決定交互作用的第一相」,楊振寧說,愛因斯坦認為一但瞭解了描述重力的場論的廣義相對論,那麼下一步應該就是把當時也已經瞭解的電磁場結合起來,那也正是愛因斯坦晚年主要努力想完成的工作。

德國大數學家魏爾(Hermann Weyl) 頭一個面對了此一挑戰,他1918年寫了三篇文章,提出了所謂「度規不變性」概念,魏爾在提出論文以前,曾經與愛因斯坦交流他要如何顯示電磁場,愛因斯坦很鼓勵他,然而當魏爾論文送到柏林科學院時,負責期刊的浦朗克和勒斯特將論文給愛因斯坦看,愛因斯坦馬上說那是錯的,楊振寧在文章中說,幸好浦朗克和勒斯特不像今天物理評論的編輯,馬上拒絕論文,他們還是刊出魏爾的論文,同時他們也刊出愛因斯坦對論文的意見文章,以及魏爾再寫的回答愛因斯坦意見的文章。

後來那個概念受到量子力學一些發展的影響,出現所謂相位的概念,到1954年楊振寧提出規範不變性的「楊-密爾斯規範理論」,才有真正的突破,楊振寧認為這是「對稱決定交互作用的第二相」。這個概念事實上主宰了二十世紀後半物理科學發展的主流方向,楊振寧也成為二十世紀影響深遠的物理學家。

楊振寧1954年和密爾斯發表的「楊-密爾斯規範理論」,是一個有著非常美妙數學結構的理論工作,但是當時在物理意義上還不明顯,楊振寧第一次報告時也受到大物理學家鮑利(Wofgang Pauli)的質疑,雖然楊振寧當場不會回答鮑利提出的問題,但是他對於這個理論的美妙數學結構有信心,特別是因為這個理論的出發點是由電磁現象而來,所以他們沒有猶豫的發表那個理論。

楊振寧說他受到他最尊崇的大物理學家愛因斯坦的影響,服膺愛因斯坦所說的「美妙數學是基本物理的語言」,但是他也經常說,數學並不是物理,數學可以成就於邏輯推演的證明,物理理論卻必須在客觀世界中顯現出現實意義,也正是因為這個原因,楊振寧認為理論物理的數學猜測由物理現象入手,比較容易成功。他甚至說,如果今天再回頭來做科學,他可能要選擇做數學而不是物理,因為目前的物理科學分支太細,離開最原始的想法太遠,許多物理理論可能落於空想。

愛因斯坦在1933年的斯賓塞講座中曾經說,「理論物理的基本假設不可能從經驗中推斷出來,它們必須是不受拘束的被創造出來的」。1915年他提出的廣義相對論正是最好的一個例子。

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江才健

江才健

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《知识通讯评论》发行人兼总编辑;并在台湾大学新闻研究所以及台大、中央、阳明、辅仁大学讲授“科学在文化中的定位与挑战”课程;台湾科技大学驻校副教授级专家。作品有:《大师访谈录》、《物理科学的第一夫人—吴健雄》、《规范与对称之美—杨振宁传》(获2003年科学类著作金鼎奖)、《科学梦醒》(获2010年金鼎奖最佳专栏写作奖、2011年获第三届星云真善美新闻传播奖、传播贡献奖)

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