相對論百年故事
相對論百年故事
單位：中區中文寫作中心
分類：自然科普
點閱：1177
發佈日期：2015-10-23
【內容連載】
1 廣義相對論百年史
聶斯特、陳江梅
愛因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）是少數具有極高公眾知名度的偉大物理學家，美國的《時代雜誌》（Times）在1999年推選他為「世紀偉人」（person of the century）。愛因斯坦在物理學上做出了許多劃時代的貢獻，例如1905年，年輕的他就獨立完成了許多開創性的成果，其中有關光電效應（photoelectric effect）的論文，則是開啟量子物理（quantum physics）大門的關鍵性成果，也使他獲得了1921年諾貝爾物理獎的桂冠；他是在前往日本訪問途中，於開往中途停靠點上海的旅行船上獲知此消息。
然而，對一般大眾來說，愛因斯坦最著名的研究成果就是相對論。他在1905年完成了「狹義相對論」（special relativity），討論等速運動系統的物理特性，其中由光速不變性的假設所推論出來的「時間膨脹」（time dilation）、「長度縮收」（length contraction）等等奇特效應，可以說是理論物理中十分令人著迷的現象。不過，綜觀愛因斯坦的科學成就中，描述重力作用的「廣義相對論」（general relativity），毫無疑問的是物理學中最激動人心的智慧結晶，讓我們聽聽來自三位諾貝爾獎得主物理學家對廣義相對論的讚譽：
狄拉克（Paul Dirac, 1902-1984）說：「這可能是有史以來最偉大的科學發現。」玻恩（Max Born, 1882-1970）說：「廣義相對論的基礎對我而言，直到現在仍然是人類思維上有關自然的最偉大壯舉，是哲學洞察力、物理直覺和數學技巧最驚人的組合。」朗道（Lev Landau, 1908-1968）則說：「它應該代表全部現有的物理理論中最美麗的部分。」
2015年是廣義相對論的100週年誕辰，在這個值得紀念的時間點，我們將藉由這篇文章，介紹一些關於廣義相對論的發展歷史。對於愛因斯坦的生平事蹟，坊間已出版了許多非常好的傳記書籍，我們將不再多所著墨。此外，愛因斯坦的研究課題所包含的領域很廣泛，本文將只著重於愛因斯坦在廣義相對論及其相關領域研究的思路歷程，至於他在其他領域的重要工作，則不在本文的討論範圍。
探索新視界：廣義相對論的發展
愛因斯坦在大學時期是一個相當古怪的學生，常常翹課、成績並不突出，最後勉強達到畢業門檻；他大部分的時間和精力，均致力於獨立研究物理學中最前沿的問題。愛因斯坦自己說過，他曠課的時間絕大部分待在家裡，以宗教狂熱的熱誠學習理論物理。至於考試，愛因斯坦則依賴他的同學格羅斯曼（Marcel Grossmann, 1878-1936）在上課時所作的筆記。
聶斯特、陳江梅
愛因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）是少數具有極高公眾知名度的偉大物理學家，美國的《時代雜誌》（Times）在1999年推選他為「世紀偉人」（person of the century）。愛因斯坦在物理學上做出了許多劃時代的貢獻，例如1905年，年輕的他就獨立完成了許多開創性的成果，其中有關光電效應（photoelectric effect）的論文，則是開啟量子物理（quantum physics）大門的關鍵性成果，也使他獲得了1921年諾貝爾物理獎的桂冠；他是在前往日本訪問途中，於開往中途停靠點上海的旅行船上獲知此消息。
然而，對一般大眾來說，愛因斯坦最著名的研究成果就是相對論。他在1905年完成了「狹義相對論」（special relativity），討論等速運動系統的物理特性，其中由光速不變性的假設所推論出來的「時間膨脹」（time dilation）、「長度縮收」（length contraction）等等奇特效應，可以說是理論物理中十分令人著迷的現象。不過，綜觀愛因斯坦的科學成就中，描述重力作用的「廣義相對論」（general relativity），毫無疑問的是物理學中最激動人心的智慧結晶，讓我們聽聽來自三位諾貝爾獎得主物理學家對廣義相對論的讚譽：
狄拉克（Paul Dirac, 1902-1984）說：「這可能是有史以來最偉大的科學發現。」玻恩（Max Born, 1882-1970）說：「廣義相對論的基礎對我而言，直到現在仍然是人類思維上有關自然的最偉大壯舉，是哲學洞察力、物理直覺和數學技巧最驚人的組合。」朗道（Lev Landau, 1908-1968）則說：「它應該代表全部現有的物理理論中最美麗的部分。」
2015年是廣義相對論的100週年誕辰，在這個值得紀念的時間點，我們將藉由這篇文章，介紹一些關於廣義相對論的發展歷史。對於愛因斯坦的生平事蹟，坊間已出版了許多非常好的傳記書籍，我們將不再多所著墨。此外，愛因斯坦的研究課題所包含的領域很廣泛，本文將只著重於愛因斯坦在廣義相對論及其相關領域研究的思路歷程，至於他在其他領域的重要工作，則不在本文的討論範圍。
探索新視界：廣義相對論的發展
愛因斯坦在大學時期是一個相當古怪的學生，常常翹課、成績並不突出，最後勉強達到畢業門檻；他大部分的時間和精力，均致力於獨立研究物理學中最前沿的問題。愛因斯坦自己說過，他曠課的時間絕大部分待在家裡，以宗教狂熱的熱誠學習理論物理。至於考試，愛因斯坦則依賴他的同學格羅斯曼（Marcel Grossmann, 1878-1936）在上課時所作的筆記。
因為愛因斯坦的經常缺課，再加上時常不夠尊重師長的態度，使得他在授課老師心中留下不良的印象。他的物理學教授韋伯（Heinrich Friedrich Weber, 1843-1912）曾經責備他說：「你是一個很聰明的孩子，愛因斯坦，非常聰明的孩子，但是你有一個很大的缺點，就是永遠聽不進去別人對你說的任何事情。」
事實上，在小學至高中時期，愛因斯坦是個好學生，特別是他在數學上的表現曾受到高度的關注。但是，當他考上了蘇黎世理工學院（Federal Polytechnic Institute in Zurich）後，愛因斯坦對課業方面則採取知道就好的態度。例如，他很少專注於閔可夫斯基（Hermann Minkowski, 1864-1909）教授的課程，甚至翹掉很多他的課。閔可夫斯基曾經稱愛因斯坦為「懶狗」。許多年後，關於狹義相對論的發表，閔可夫斯基的評論是「我真的不敢相信他能夠做到。」
廣義相對論所討論的，是自然界中的重力作用。重力，也就是萬有引力，是最為人類所熟知的作用力，我們很容易地就能觀察到周遭物體總是向下掉落的現象，這就是地球所產生的重力作用結果。牛頓（Isaac Newton, 1642-1727）首先理解到，萬有引力不單單只是造成地球上萬物會向下掉落的原因，也是天體中星球運行的作用力來源。他寫下了質量如何產生重力的萬有引力公式，再加上他所提出的物體運動必須服從的三大運動定律，構成了牛頓力學的體系，主導我們對物理的認知達數百年；直到愛因斯坦相對論的奠定，我們對這個物理領域的理解，才又往前跨出了重要的一步。而廣義相對論就是牛頓萬有引力理論的推廣。
愛因斯坦廣義相對論的理論基礎，起源於一個稱為「等效原理」（equivalent principle）的基本概念。這個想法出現在1907年，根據愛因斯坦的說法，他是某天坐在伯恩專利局辦公室裡得到了這個靈感。等效原理的基本概念很簡單，就是當一個人在自由墜落（free falling）的時候，他是感受不到自己的重量的。自由墜落是一個加速的運動狀態，而物體的重量則是重力作用的結果；因此，等效原理表明了這兩個物理現象間有一定的關聯性，也就是重力作用原則上是等價於加速度。這個想法給了愛因斯坦很深的啟發，引導他建立一個革命性重力理論的方向。愛因斯坦甚至曾經說過，等效原理是一輩子中令他感到最快樂的想法。
事實上，在小學至高中時期，愛因斯坦是個好學生，特別是他在數學上的表現曾受到高度的關注。但是，當他考上了蘇黎世理工學院（Federal Polytechnic Institute in Zurich）後，愛因斯坦對課業方面則採取知道就好的態度。例如，他很少專注於閔可夫斯基（Hermann Minkowski, 1864-1909）教授的課程，甚至翹掉很多他的課。閔可夫斯基曾經稱愛因斯坦為「懶狗」。許多年後，關於狹義相對論的發表，閔可夫斯基的評論是「我真的不敢相信他能夠做到。」
廣義相對論所討論的，是自然界中的重力作用。重力，也就是萬有引力，是最為人類所熟知的作用力，我們很容易地就能觀察到周遭物體總是向下掉落的現象，這就是地球所產生的重力作用結果。牛頓（Isaac Newton, 1642-1727）首先理解到，萬有引力不單單只是造成地球上萬物會向下掉落的原因，也是天體中星球運行的作用力來源。他寫下了質量如何產生重力的萬有引力公式，再加上他所提出的物體運動必須服從的三大運動定律，構成了牛頓力學的體系，主導我們對物理的認知達數百年；直到愛因斯坦相對論的奠定，我們對這個物理領域的理解，才又往前跨出了重要的一步。而廣義相對論就是牛頓萬有引力理論的推廣。
愛因斯坦廣義相對論的理論基礎，起源於一個稱為「等效原理」（equivalent principle）的基本概念。這個想法出現在1907年，根據愛因斯坦的說法，他是某天坐在伯恩專利局辦公室裡得到了這個靈感。等效原理的基本概念很簡單，就是當一個人在自由墜落（free falling）的時候，他是感受不到自己的重量的。自由墜落是一個加速的運動狀態，而物體的重量則是重力作用的結果；因此，等效原理表明了這兩個物理現象間有一定的關聯性，也就是重力作用原則上是等價於加速度。這個想法給了愛因斯坦很深的啟發，引導他建立一個革命性重力理論的方向。愛因斯坦甚至曾經說過，等效原理是一輩子中令他感到最快樂的想法。
