二十世纪三大重要科学研究

二十世纪三大重要科学研究

黄定维口述陈韵琳执笔

之一：相对论─绝对与相对-

相对概念，在我们的日常生活中例子是不胜枚举。譬如二火车同时在车站对面，其中一辆火车走了，另一辆火车上的人，会误判成是自己的火车开始移动。同样的，汽车进洗车机器，明明是刷车布在移动，但车上的人会感觉是车子在移动。而相对概念，也不是从爱因斯坦才开始谈论的概念。早在伽利略时代，就已有类似的讨论了。

但是当爱因斯坦的相对论举世知名以后，爱因斯坦却开始后悔把他这套研究的内容统称为「相对论」，为什么呢？因为太多一知半解的人只谈论「相对」，忽略掉「绝对」──爱因斯坦开始研究相对论，正是因为他相信科学定律是绝对的，也是因为对定律的绝对性笃信不移，科学家才有可能发展科学。

物理定律必须是绝对的，也就是说，不管在怎样的情况下，研究出来的结果都应当一样。而定律本身，一定从大多数人可共同看见可观察的事物着手，而后成为该如此就是如此的已是最后的基准，不能再有任何条件，也不能被证明。假如连定律也是相对的，科学根本不能发展下去。也就是说，「定律」反映出来一种信念──相信这世界一定有某种秩序，是你我他都共同同意的。若是这种信念被怀疑、若是定律被质问「为什么」，则连科学家都无法给出答案了。而这样的「世界应当存有某种秩序」的信念，对科学家是很重要的。

举例来说，车上车下各站一个人，在车上的那个人丢球往空中，让球自由落地，则在车上的人看到的是直线下落，可是在车下的人，看到的却是物线。这正是相对。可是，两人都会发现球是往下落地没错，因为地心引力定律是绝对的；而上去下来花的时间两人都算出是一秒钟，这部分也是绝对的。

既然科学研究中有绝对的部分被公认为定律，也就意味着，当某样事物是相对的，它就不该出现在定律中。而我们从一个人在车上跑，车上和车下的人看到的速度不一样，可判知「速度」，在物理世界中是相对的，既然是相对的，当然不该出现在定律中。

因此，牛顿公式F=MA(力=质量X加速度)中并没有「速度」这一项。加速度，其实是抽象的量，不是速度本身。若牛顿把速度放进来，这条公式一定就变成相对。

但是在Maxwell的电磁学公式中，却出现「光速」！怎么可能有速度呢？于是爱因斯坦认定：光速不是普通的「速度」，不是众速度中的一个，它是绝对的速度！若是光速不绝对，以前的科学基础就不稳固了。

于是爱因斯坦根据前述原则，继续推导，就导出「时间是相对的」，「空间是相对的」「时空是可以转换的」，这样的概念出现后，人类的想象力驰骋下，人可以回到过去先走到未来、我们所见的形体也有可能改变，从爱因斯坦以后，不止「时」「空」常常并述为「时空」，也导致我们如今会看到很多虽尚不能被实验证明，却绝对有科学理论基础的时空片与科幻片。

除此以外，爱因斯坦有名的公式E=MC^2，一样如前述，是根据「定律绝对」「光速绝对」推导出来，这公式说明了质量与能量可以互换，它可以说是从古自今，影响人类最大的公式。

之二：宇宙大爆炸─现世与永恒-

很久以来，天上的星星就是科学家的关注，也是神话、文学的想象内容。

星星的死亡:

神话说，银河是天神宙斯泼翻牛奶造成的，因此银河就叫做milkyway。科学家则说，宇宙应当是永恒不变的，科学家的野心，就是要找到最永恒不变的事物。因此，流星也成为科学家好奇的对象：它到底是不是星星？如果是，为何会掉下来呢？

1930年，已经世界知名的爱因斯坦大老远跑去与一个当时还是小人物的哈伯会面。为什么呢？因为哈伯发现宇宙是在膨胀的，宇宙会有生老病死！

爱因斯坦在1915年推导广义相对论时，发现用公式推导出的宇宙有两解：一是宇宙会越来越大，一是宇宙会越来越小。这公式出来，爱因斯坦非常困惑不解。在他的信念中，宇宙应当是绝对不变的。为了这个信念，他没有坚持他所推导出来的公式，在公式中加上一个常数，好让宇宙成为绝对不变的。因此当哈伯的科学研究报告出来，世人都尚未明了个中意义时，爱因斯坦大老远去会见他。

哈伯用杜普勒效应测星星位移，比较出速度，发现越远的星星移动速度越快，而且每颗星在自己的位置上看，都会看见别的星星在移动，一如先在汽球上划很多小点后开始吹大汽球的情况一般，这正是大爆炸理论发展的基础：由一点爆开成大宇宙。

宇宙会变，星星会死。星星是怎么死的呢？根据观察，星星死的很辉煌很灿烂，它变的非常亮非常亮，然后死亡。至于像太阳般大小的星星，死前会发红，然后成为石头。

科学家知道宇宙是有起源的，当然，科学家也会想知道宇宙的未来。是一直膨胀下去？还是膨胀到最后开始收缩？目前的推测是「介于其中」。

宇宙至今已经有一百亿年的历史了。有没有办法想象，现在我们看到的某些星星，其实是一百亿年以前的事？如果你问，为何科学家穷尽力气，要研究一百亿光年远的东西呢？答案或许是：正像远古以前的神话，人内心深处总有着渴望，想知道「我从哪里来？要往哪里去？」当你面对穹苍展望星空，或者企图理解大爆炸理论有没有唤起过内心深处类似的渴望呢？

之三：量子论――主观与客观、原则与实用

科学家对另一种研究也是充满好奇有长远历史的：那就是研究「什么是大自然中最基本的元素？」透过这个研究，来满足人内心深层的渴望：想知道一切事物最基本的东西，好得知自己在宇宙中的位置。

最基本的东西，往往是最重要的东西，值得科学家不计成本的研究。

大自然中最基本的元素的概念是――它是绝不可能再分割的东西。有趣的是，为要寻找这基本元素所设计出来的机器，竟然可以大到有一个城市这么的大！这种研究，我们把它称之为「量子论」。

爱因斯坦伟大的发明，不只是相对论，也是量子论。当爱因斯坦发现他推导的公式说明宇宙会变，爱因斯坦修改常数；至于量子论发展到后来，爱因斯坦竟然彻底拒绝接受，这导致晚年的爱因斯坦顽固很难跟后代科学家沟通。因为量子论彻底违反爱因斯坦对科学定律原则的概念、违反他所认知的世界了。

这从何说起呢？我们就从「电子」谈起。

电子于1897年第一次被发现。如果要描述电子，可以说，它是没有大小体积的点，但是有位置。这么小的东西，这一百年来，到目前为止，还是没有任何仪器可以看得到它。可是看不到，却透过实验研究，掌握住电子的特性，这个实验的结果，有三个地方是让人骇异的。

第一、科学家发现，电子具有「波粒双重特性」。在过去的物理特性中，波和粒子，是两种完全不同的东西，具有完全不同的属性；是波就不是粒子，是粒子就不是波。但是，现在科学家发现电子又是波又是粒子。

第二、科学家发现实验者的观点会影响实验结果。过去不管实验者是谁、持什么观点，都不会影响实验数据，大家作出来都是一样的；但是现在，实验者的观点会影响实验结果。举个诡异但却很符合电子实验的例子：当我看月亮，月亮存在；当我不看月亮，月亮就变成其它东西了；或者说，当我看你，你是男生，当我不看你，你就是女生。这不是很诡异吗？

第三：截至目前，科学家只能掌握电子的特性，却根本看不见电子，不知他到底长什么样子。但是光凭对电子特性的掌握，科技以前所未有的速度在增进人类生活的舒适与便利。譬如计算机IC、半导体、芯片，现在计算机影响人类文明多么深远，影响个人生活多么剧烈，这一切，竟然是只掌握规则，却看不见、不明其物的情况下发展的。这正是为什么现代人对科学原理的研究越来越不重视，只重视有实用价值的科技研究。反正，知不知道真相不重要，掌握特性能运用就好了。这几点，都对过去科学研究某些确定不移的原则产生剧烈的挑战。

而这些更带出一些哲学上的问题：主客能否二分？如果主观无法从客观中拿掉，那么，什么是客观？科学还有资格宣称自身拥有绝对的客观？这一切哲学问题，都让科学走向「不可知论」。

爱因斯坦正是看到这势必出现的局势，因而放弃了量子论研究，也拒绝跟后代很多渴望得到他意见的科学家们沟通。爱因斯坦抗拒的世界，正是你我现在活着的世界，也就是全面对客观的质疑；以及不再重视思考、寻找真理本身，只想立即实用的世界。