愛因斯坦的四大失誤

愛因斯坦的四大失誤

1-20-2018

 

上帝不玩擲骰子遊戲嗎?

愛因斯坦被認為是近代人類最聰明的科學家, 他打開了現代物理學的大門, 帶領人類突破牛頓古典物理的束縛, 從地球觀進入宇宙的宏觀世界。據說1955年他死後, 他的頭腦被一位名叫哈維的醫生偷偷地保留起來, 想要研究到底他為何那麽聰明。愛因斯坦也有人性的一面, 在他追求真理的過程之中也遇見許多困惑, 也曾固執, 也曾跌倒。雖然解剖他的腦袋. 無法得到答案, 然而從他的失誤中, 我們似乎可以學到一些教訓。 (參考:2008年出版的暢銷書叫《愛因斯坦天才也會犯人類的錯誤》)

 

第一個失誤 ~ 靜態宇宙

1915年, 愛因斯坦推出廣義相對論 (General Relativity)。那時他提出一個相對簡單的宇宙重力場方程式, 按照那公式, 宇宙是不斷地膨脹的。剛提出來後就被一些天文學家嘲笑。因為根據他們的觀察, 宇宙是靜態、永恆、虛空、無窮大! 愛因斯坦起初不相信, 因為若是如此萬有引力會導致宇宙內陷坍縮。但是後來愛因斯坦還是乖乖地咡信了這些人, 就花盡心血來修改當初那漂亮的公式, 加入了所謂宇宙常數 (Cosmo-logical Constant) 來仰制宇宙的膨脹。

 

直到1927年, 一位比利時物理學家, 也是天主教一位神父, 名叫喬治·勒梅特建構了宇宙大爆炸的模型, 兩年後天文學家哈勃在威爾遜山天文台發現了紅移的現象, 才證實這宇宙確實正在加速膨脹。哈勃邀請愛因斯坦到天文台, 讓他親自來看這他當初所提出的宇宙膨脹理論。他看了以後激動地說這是他所看見過最美麗的證據。他當初加入那這負值的宇宙常數是毫無物理根據, 不過是人云亦云。愛因斯坦承認這是他一生中所犯最大的錯誤。從此之後宇宙常數被為設為零。

 

這件事對愛因斯坦往後一生的研究態度, 產生了很大的影響, 至少他認為對自己要有信心。今日科學家都讚同大爆炸理論, 也持序追踪宇宙加速擴張的現象, 他們相信這背後是由一股莫明其妙的黑暗能量 (Dark Energy) 所造成的。如今面對目前快速膨脹的宇宙, 科學家們認為愛因斯坦公式中必需再加上一個正值的宇宙常數。

 

第二個失誤 ~ 引力透鏡

在愛因斯坦廣義相對論中, 引力 (也叫重力) 透鏡 (Gravitational Lensing) 是一個極重要的概念. 就是說, 當光線通過一個巨大的重力場時, 光線會被彎曲。 1912年, 他就預測到這現象, 1919年被英國天文物理學家Arthur Eddington觀察日蝕時就得到證實。照理講, 月亮或其它星球停在太陽和地球之間時, 太陽被遮住了, 而且太陽背後所有的星系也應該被遮住。但是奇怪的事發生了, 背後星系的光竟然被扭曲, 照到地球。原來這些光受到太陽等眾星球所產生巨大的重力場而彎曲, 產生影像放大的作用, 背後的星系看得更清楚。

 

愛因斯坦是一個奇怪的傢伙, 1936年在科學雜誌上發表, 根據自己的計算, 他不認為這重力場夠強會產生多大的光線扭曲作用, 他也低估了這引力透鏡實際應用的價值。

 

直到隔年, 在加州理工學院工作的瑞士天文學家茲維基 (Fritz Zwicky), 在物理評論上發表一篇批評愛因斯坦論點的文章. 他說, 若是考慮一整個星系的質量, 這引力透鏡的功效就會十分可觀。他又說, 這引力透鏡的功能有極大的應用價值, 如: 用於驗證廣義相對論、觀測遙遠的天體、測量遠處大質量的物體, 包括黑洞、中子星、暗物質等質量。

 

如今這技術己普遍應用在找尋並定位佔宇宙中84.5%重量的暗物質 (Black Matter)。對了! 這存在宇宙之中, 有一種看不見的暗物質, 也是當初愛因斯坦在計算重力場時沒有加入考慮的東西。所以理論物理學家再強, 還是需要實際實驗來補足!

 

第三個失誤 ~ 引力波

1916年, 愛因斯坦提出引力波 (Gravitational Waves). 相對論的引力概念是時空被物質或能量所扭曲而產生的。就如一顆保齡球丟在彈簧床上, 它的重量會造成床面塌陷。如果在旁邊再滾一顆小撞球, 小撞球就會沿著曲線從保齡球邊經過, 靠近時它似乎被保齡球吸引。這就是時空結構和質能互動的結果。若兩個極高質量的天體(如黑洞) 相互環繞在一重心公轉, 它會造成時間和空間的伸張和壓縮, 在時空結構中就會形成波浪。

 

他提出這理論之後, 越想越不對勁, 1936年他自己又寫了一篇文章, 認為這引力波微乎其微, 幾乎無法測量得到, 甚至否定它的存在。後來經其它人指正, 移除座標中的一個奇點後, 他才再度證明這引力波確實存在。

 

直到2015年9月, 在華盛頓州及路易斯安那州兩地天文台, 同時測到13億年前兩個巨大黑洞互動, 發出的微弱的引力波信號。 2017年諾貝爾物理獎頒發給, 開創激光干擾引力波探測天文台 (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO) 的三位創辦人 ~ 韋斯、巴里什和索恩 (Weiss, Barish &Thorne) .

 

第四個失誤 ~ 量子力學

1900年, 量子力學 (Quantum Mechanics) 的概念是德國物理學家普朗克 (Max Planck) 提出。是描述有關原子微觀世界中能量改變以一種不連續的狀態進行。在日常生活經驗中, 這是一種十分抽象的概念。如海森堡測不準原理 (Uncertainty Principle), 那就是每當你測量到亞原子粒子(如電子)的狀態時, 那只不過是一個概率。有人比喻用量壓器來量車胎的壓力, 每量一次, 雖然讀到胎壓, 但因為測量時要從車胎內放出一些氣體, 所以量後胎壓已不是量錶上讀到的數值。

 

1905年, 愛因斯坦完全理解光量子化的潛在意義, 他發表了轟動一時的光電效應論文。他和普朗克可以說是量子力學的開山始祖, 兩人分別先後在1918年和 1921年獲諾貝爾物理獎。他們兩人一起工作, 也提出了一個非常有名的愛因斯坦-普朗克關係式, 闡明光子的能量與頻率成正比 (E = h ν)。

 

而法國公爵, 物理學家, 布羅意(Louis de Broglie)發現光的波粒二元和物質波等現象, 在8年後才獲諾貝爾獎。 1945年, 奧地利量子專家包立( Wolfgang Pauli) 提出包立不相容量子理論中, 經大師愛因斯坦提名, 也獲諾貝爾獎。

 

然而, 愛因斯坦本身對這新冒出來的科學及理論感到懐疑, 有很多現像在宏觀世界中近乎是神話, 什麽一個微粒子可以同時分佈在兩個位階(State), 彼此之間以超光速彼此互通信息!

 

最後愛因斯坦實在忍不住, 他冒出一句千古名言:「上帝是不玩擲骰子遊戲的!」意思是說, 神所創造的世界必定是清楚、明確、有秩序、可以理解的。他提出的兩個相對論, 無論是狹義或廣義都是可以用數學公式來表答, 沒有模稜兩可的。這時他變得很固執, 四周人也都在暗地嘲笑他, 上帝難道非要用他說的方法來做事嗎?

 

其實, 愛因斯坦的內心存在一個野心, 一直想完成統一宏觀和微觀世界的重力場理論 (Unified Field Theory), 如今突然跳出量子力學來搗蛋, 讓他有些煩惱, 本來天性幽默的他也變得十分孤癖，悶悶不樂。

 

然而, 愛因斯坦卻從此駐足不願再往前邁進. 很遺憾地, 這位科學偉人在人類繼序探討微觀世界的隊伍中缺了席。往後數十年, 量子力學突飛猛進, 它進入化學、物理、醫學、光學等各領域, 它蘊釀了近代電子革命, 大大地提升了傳統電腦和通信技術。

 

「你豈不曾知道嗎？你豈不曾聽見嗎？永在的神耶和華，創造地極的主，並不疲乏，也不困倦；他的智慧無法測度。」(以賽亞書40:28)