愛因斯坦的宇宙：想跟光賽跑、從椅子摔落……世紀天才這樣想出相對論及量子力學

一個從寄宿學校逃回家、學業表現不被看好的白日夢青年， 他的發想如何改變人類對宇宙的認知、奠定現代物理學基礎？ 當代大師加來道雄回溯物理學黃金年代， 細數愛因斯坦的研究、奇聞軼事和二十一世紀影響力 假使回到過去，來到愛因斯坦提出狹義相對論之前，我們會很驚訝地發現，當時人們認為物理學走到了盡頭，無需再投入研究。豈知委身於專利局的小職員愛因斯坦，對牛頓的力學定律和馬克士威的電磁理論兩相矛盾的狀況產生興趣，遂提出統合物理和數學的理論，就此開啟光速、量子論與相對論的新時代！ 在《愛因斯坦的宇宙》這本書中，物理學家加來道雄以簡單扼要又不失趣味的方式，描繪愛因斯坦一生事蹟、物理學界之爭和歷史局勢的交互影響。愛因斯坦的存在惹得納粹不快、他所到之處民眾熱烈崇拜卻無從理解其學說、他拋出的問題引發學界跟進研究和爭論，開啟一個又一個的未知領域，進而啟發後世無數諾貝爾科學家研究重力波、黑洞、凝聚態、場論、弦論等新物理學門。 身為超弦論奠基者，加來道雄坦承他的成就受到愛因斯坦影響甚深。他認為世人誤解愛因斯坦的靈感來源，他從物理學者的角度，指出相對論起源於兩幅非常簡單的畫面：與光線賽跑、想像自己從椅子上摔倒，這些圖像中的物理現象最後發展成為相對論，以及著名的E= mc2（2要平方）方程式，解開了宇宙運行的祕密，更一舉改變過去對時空和重力的理解。

　　江瑛貴／清華大學天文研究所教授‧李景輝／中央研究院天文暨天文物理研究所副所長‧黃崇源／國立中央大學天文研究所所長‧陳文屏／中央大學天文研究所講座教授‧溫文鈺／中原大學物理系暨研究所教授‧廖文德／中央大學物理學系助理教授____________________聯合推薦 　　本書生動地描述愛因斯坦如何將腦中簡單的圖象，轉化成物理觀念，進而發展出重要的物理定律。也讓我們體認到，每個人若能堅持自我，不斷努力，都有機會將自己的想法，付諸行動，完成夢想！──江瑛貴／清華大學天文研究所教授 　　在作著筆下跟著科學巨人的簡單圖象追尋宇宙真理，有一種豁然開朗的興奮。──李景輝／中央研究院天文暨天文物理研究所副所長 　　一位說故事的高手，娓娓道出活繃學者心中的物理世界，加上本身是專家的譯者，這本書注定精彩，我看了幾頁就被深深吸引！──陳文屏／中央大學天文研究所講座教授 　　愛因斯坦的圖像思考是如何衝擊我們對宇宙的理解？作者專業又生動的剖析，兆林兄流暢的譯筆，這本書絕對精采。──溫文鈺／中原大學物理系暨研究所教授 　　這本小書在幾場令人昏昏欲睡的演講中解救了我。看雄才大略的愛因斯坦如何跟把妹功力一流的薛丁格哥倆好，數度為了量子力學跟辯論高手波耳過招。看愛因斯坦的物理思想如何深謀遠慮地超越時代，讓今日許多一流物理學家因為證實了愛因斯坦的理論而獲諾貝爾獎。這本小書不只揭露愛因斯坦絕倫的思路更讓我們看看他充滿人味的小日子。這些事不能只有物理學家知道！──廖文德／中央大學物理學系助理教授

序 致謝 第一篇 第一張圖象：與光束賽跑 第一章 愛因斯坦之前的物理學 第二章　年少時期 第三章　狹義相對論與「奇蹟之年」 第二篇　第二張圖象：彎曲的時空 第四章　廣義相對論與「我生命中最快樂的想法」 第五章　新哥白尼 第六章　大霹靂與黑洞 第三篇　未完成之圖象：統一場論 第七章　統一與量子挑戰 第八章　戰爭、和平與E=mc2 第九章 愛因斯坦的預言遺產

天才。脫線教授。相對論之父。亂髮飛天、不穿襪子、衣著鬆垮、愛叼煙斗、對周遭世界渾然不覺……，艾伯特‧愛因斯坦神話般的形象深植人心。傳記作家布萊恩（Denis Brian）寫道：「這位天王偶像的名氣和貓王及瑪麗蓮夢露一樣響亮，不論是在明信片、雜誌封面、T恤及大型海報上，處處可見他凝思注視。比佛利山還有經紀人專門兜售其肖象拍攝電視廣告，他肯定會恨這類事情的。」 愛因斯坦是有史以來最偉大的科學家之一，這位科學巨人的貢獻與牛頓並駕齊驅。《時代雜誌》推選他為「世紀人物」自是眾望所歸，許多歷史學家更推崇他是千年來最具影響力的一百位人物之一。 愛因斯坦享有崇高的歷史地位，如今更有幾點理由值得重新評價他一生的貢獻。首先，愛因斯坦的理論深遠奧妙，多年前的預測至今仍常成為斗大的新聞標題，因此對這些理論探本溯源相當重要。如今最新一代的儀器（衛星、雷射、超級電腦、奈米科技、重力波探測器等）可以探索宇宙更深處以及原子更底層，這些儀器在一九二○年代完全無從想像。愛因斯坦當年的預測，如今接連幫助科學家抱回諾貝爾獎；即使是愛因斯坦漫不經心之作，也經常為科學界開拓新視野。例如，一九九三年諾貝爾獎便歸於兩位分析雙中子星運動、間接證實重力波存在的物理學家，而愛因斯坦早在一九一六年便預測了重力波的存在。另外，二○○一年的諾貝爾獎由三名物理學家共享榮耀，他們證實「玻色-愛因斯坦凝聚效應」（Bose-Einstein condensates），愛因斯坦在一九二四年即預測，某些物質接近絕對零度時會到達這種新狀態。 還有一些預測如今也獲得驗證。像黑洞原本被視為愛因斯坦理論的怪預測，現在哈伯太空望遠鏡及非常大陣列電波望遠鏡已經指認出黑洞了。至於愛因斯坦環與愛因斯坦鏡不僅已獲得證實，同時也是天文學家用來測量外太空不可見物體的關鍵工具。 縱使是愛因斯坦的「錯誤」，也被認為對於人類的宇宙知識具有深遠貢獻。二○○一年科學家發現有力的證據指出，曾經被視為是愛因斯坦最大錯誤的「宇宙學常數」，其實占了宇宙總能量的最大比例，並且將決定宇宙的最終命運。隨著越來越多證據證實其預測，實驗界確實有股「復興」愛因斯坦遺產的味道。 第二，物理學家正在重新評估愛因斯坦之遺產，特別是其思考過程。正當傳記作家滴水不漏地檢視愛因斯坦的私生活、企圖找出其理論起源的線索時，物理學家卻更加意識到，愛因斯坦的理論大多不是建立在晦澀難解的數學上（更不用說是他的愛情生活），而是建立在簡單優美的物理圖象上。愛因斯坦會說，一個新理論如果不是建立在簡單到孩童能夠明白的物理景象上，則可能是沒有價值的。 因此，這些圖象與愛因斯坦的科學思考產物，便成為本書架構原則，依序呈現出其思考過程與偉大成就。 第一篇談到愛因斯坦在十六歲時最先想到的景象：若是和一道光束並肩賽跑，光束看起來會如何呢？這幅圖象可能是受到一本兒童讀物所啟發，愛因斯坦藉此將當時兩大理論（即牛頓重力理論及馬克士威的場理論）對光的歧見解開了。在過程中，他知道兩項偉大的理論中必有一項是錯的，結果是牛頓錯了。基本上，狹義相對論（最終將解開恆星與核能的祕密）全部都包含在這個概念裡了。 第二篇將會介紹另一幅圖象：愛因斯坦將行星想像成彈珠，繞著以恆星為中心的曲面運轉，藉此闡述重力起源於空間與時間彎曲的概念。他以平滑表面的曲率取代牛頓的作用力，給予重力一個全新、革命性的思考。在這個新架構裡，牛頓的「作用力」是空間自身彎曲所造成的錯覺，而這個簡單的圖象最後為我們帶來黑洞、大霹靂，以及宇宙終極命運等概念。 第三篇沒有圖象，主要是談到愛因斯坦未能提出一幅圖象，來帶領「統一場論」（unified field theory）的發展，無法在人類兩千年來對物質與能量法則的探究上，登峰造極。愛因斯坦的直覺開始失靈，因為彼時對於支配原子核與次原子粒子的作用力幾乎一無所知。 然而，這份未完成的統一場論與他三十年來對「萬有理論」（theory of everything）的追尋，並非全然是失敗，只不過這一點直到最近才獲得肯定。當時人們把他的追尋視為不智之舉，同為物理學家與傳記作家的培斯（Abraham Pais）感嘆道：「接下來三十年他仍然研究不輟，不過他若去釣魚的話，就算聲名不添光采，倒也不至減損。」換句話說，若是他在一九二五年便離開物理而非一九五五年的話，其名望應該更達巔峰吧！ 然而，過去十年來，隨著「超弦理論」（superstring theory）或稱「M理論」的新理論問世，尋找統一場論已登上物理世界的中心舞台，物理學家重新評價愛因斯坦晚年研究及遺產，比賽找到萬有理論也儼然成為年輕一代有抱負的科學家之最終目標了。過去，統一理論曾經被視為是老物理學家的生涯墳場，現在則成為理論物理學的主流課題了。 藉由本書，我希望能重新檢視愛因斯坦開創性的研究，以簡單的物理圖象，更正確描繪出他留下的恆久遺產。他的洞見帶動了在外太空與高等物理實驗室裡的革命性實驗，也帶領物理學界熱烈追尋他最珍貴的夢想——萬有理論。以這種方法探究愛因斯坦的生涯與研究，我想他會最為高興的。