這是一本Einstein的小傳記
本書關於物理觀念的解釋部份..我覺得很適合教物理的老師看一下
如果我中學時有人這樣教我的話..我想物理學起來會更有趣更有意義
他的傳記已經多到數不清..而這本的特色在於兩個地方
一是他著重在Einstein的物理發現與物理直觀的關係
二是他生平的第三階段通常被傳記作者忽略..這裡作者希望能幫他稍微平反一下
Einstein的人生大致上可分為三個階段 (不考慮青少年的話)
第一階段是特殊相對論..第二階段是廣義相對論
而第三階段則是統一場理論
身為二十世紀最有名的科學家..他的人生也是充滿了戲劇
他的第一階段非常的灰暗..雖然他的才能已受人肯定
但他不喜歡authority的個性..讓他到處頂撞充滿階層式的德國教育體系
結果是所有的教授都不喜歡他
他當時又不顧家長的反對..與第一任太太Mileva結婚
為了維持生計..他到處找工作..但是沒有教授要幫他推薦..甚至"反"推薦
最後他找到了一個專利審查員的工作
在人生看似無望之時..他依舊抱持著希望私底下進行自己的物理研究
甚至有自己的讀書會..他事後回顧那段貧窮但充滿物理的時光反而是最快樂的
1905年是他奇蹟式的一年
人類史上大概只有牛頓在力學, 光學, 與微積分大有突破的那兩年可以比擬
他一口氣發表了三篇震撼性的論文
一篇是將光量子化..為光電效應理論的始祖..也開啟了量子力學的一扇大門
另一篇是人類史上第一個可以証實原子是存在的實驗
雖然人類的化學一直建構在原子假說上..但到那之前沒有任何實驗告訴我們原子是真實存在
他巧妙的利用布朗運動反推出原子的大小
而第三篇就是顛覆人類對時空概念的特殊相對論
另外有一個很小的footnote paper..提出著名的E=mc^2的公式
Einstein深信的一點是..每一個物理學說..背後必定有一個很簡單的物理直觀
簡單到要連小孩都可以懂..這也是他後半輩子一直不喜歡量子力學的主因
拿牛頓的重力說做例子..為什麼牛頓看到蘋果掉下來..會聯想到這和月亮繞著轉的力是一樣的呢?
想像你把一顆蘋果往前丟..它可能會在十公尺前丟在地面
開始想像你丟的力道越來越大..它會在空中飛行越久才掉下來
但是地球是圓的..所以力道大到某個地步..蘋果會神奇地繞著地球轉
因為它丟下來的弧度和地球的圓弧是一樣的!!
對他來說..物理背後的直觀picture是最重要的..而數學只要找對工具就可以
然而特殊相對論並非在他大腦憑空生出的
在那個時代背景早就有一些蛛絲馬跡可尋
首先是Mach提出牛頓那種絕對座標式的力學不可能是對的..物理座標應該要是相對的
最重要的是從Maxwell著名的電磁方程式..很驚人地告訴我們
電磁波(也就是光)在不同等速座標下的速度竟然是一樣的!!
於是當代最重要的兩大物理成就..牛頓力學和Maxwell電磁學有了矛盾
Einstein認為後者才是對的..於是他呼應了他小時候就有的一個問題
如果你能跟光跑的一樣快..那會發生什麼事?
這就是他對於特殊相對論的直觀picture
他開始進行著名的頭腦實驗 (現在稱為腦內小劇場..或是腦內小實驗室?)
有天突然靈光一閃..我們一直認為是絕對的時間, 空間, 和質量其實不是絕對的
只有光速是絕對的!!
在這個顛覆人類思考的前提下..他可以得到和Lorentz座標變換一樣的結果
但物理解讀卻完全不同..Lorentz想的是長度真的被擠壓了
而Einstein想的是別人看到你好像被擠壓的樣子..但是你自己卻完全沒感覺
從光速恆定前提下..不只是時間和空間的定義隨著座標系改變而改變
連質量和能量也可以互換
想像你一直被加速到接近光速..外面的人覺得提供給你的能量換成了動能
但會發現你越接近光速..速度增加越來越少..那麼能量去哪了?
結論就是你的質量增加了..由此可以推出著名的E=mc^2
在發表這些他認為夠震撼的論文後..接下來的卻是沒有任何反應
他甚至一度認為他與研究無緣了
但量子力學的始祖Planck看到了他的論文..對相對論特別有興趣
後來在Planck的幫忙下..他終於開始了飛黃騰達的第二階段
他也在這時候才送出他的博士論文..拿到他的博士學位
他在提出特殊相對論後..很快地就對它失去了興趣
將他的時間都拿來試圖回答尚未有人成功回答的問題.."重力的來源是什麼?"
在牛頓的理論裡..重力是基礎假設..他本人也承認他無法回答為什麼會有重力
這時候重要的物理直觀讓他開啟了廣義相對論的大門
那就是Equivalence Principle..那是指重力的影響和一般的加速度是一樣的
你無法判斷你受的加速度是來自重力還是別種力
所以想像你在一個電梯裡不動但受重力..或在真空中依一個加速度往上..這兩個狀況是等價的
這時再想像你有一個手電筒..在有加速度往上的電梯裡..你會看到光往下彎
於是在受重力的地方你也會發現光往下彎..也就是光是會受重力影響的!!
再加上光速恆定的假設..得到的結論就是..不是光轉彎了..而是時空座標被扭曲了!!
這個質量會造成附近時空扭曲是廣義相對論最有名的物理直觀picture
這也回答了重力的來源..是因為質量會造成時空扭曲..而帶來重力的假象
就像是床上若擺了一顆保齡球就會陷下去..這時候滾過去的一顆小球就順著陷下去的地方走
這就是萬物相吸的背相真象!!
但有了這些物理想法後..他卻不知道能用什麼數學工具來表示
在確定無法自行發明出來後..他只好去問數學家朋友的意見
他才知道原來有一整套相關的數學工具叫"微分幾何"
早就被德國數學家(Gauss & Riemann)發展出來了
那並不是很容易駕馭的數學..他花了好幾年才能把廣義相對論數學化
不過一個無法預測新事物的物理是沒有意義的
當時水星的進動現象已經被發現..這是牛頓力學無法解釋的現象
Einstein在解出的數字和實驗的數字很接近時..才確定自己開創了一個新的物理法則
從特殊到廣義相對論..整整十年的時間..在1915年劃時代的廣義相對論終於問世
在一開始相對論帶來的反對聲浪似乎比贊成的還大的
甚至還有學者發起一個組織..利用上百位教授的名義要否決相對論
但就如Einstein回應的..要否決這個理論..只要一個實驗數字就夠了
甚至他一生從未以相對論拿到諾貝爾獎 (他拿的名義是光電效應)
Einstein的理論驚人之處在於..很多可以預測到的現象都遠超過當年的實驗能力
但在經過快一百年的洗禮..廣義相對論依然屹立不搖
現今的宇宙學說幾乎都是奠基在相對論上..像是黑洞, 時空旅行, 重力透鏡, 重力紅位移等等
但Einstein這次又是馬上把他的心力轉移到他人生的最終目標"統一場理論"上
Einstein從1920年開始成為全球知名的科學家
他第二任太太Elsa的公關很厲害..成功的幫他打理他的穿著和宴會安排
後來為了躲避納粹到了美國..最後在普林斯頓高等研究院度過他的晚年
他的第三階段在許多人的眼中是非常失敗的
因為他幾乎只做兩件事..第一是反對量子力學理論..第二是建構統一場理論
他和薛丁格都在量子力學早期貢獻極大..但當對量子力學的解釋都偏向哥本哈根學派時
他們對於那種"機率幅"的說法都十分感冒
他曾講過著名的"上帝不擲骰子"..堅決反對非決定性的物理學說
於是一直設想一些詭論要試圖難倒哥本哈根學派
但有趣的是..這些詭論後來似乎都對量子力學有正面的幫助
本書作者對於Einstein人生的第三階段有著和別人不同的解讀
他認為Einstein並不是要"反對"量子力學..量子力學的實驗準確度是無人可以反對的
他"反對"的是該物理解讀的方法
在量子力學裡..機率是基本假設..和牛頓力學裡的重力如出一轍
他心中物理的最高目標就是統一場理論..一個可以包含重力, 光, 和量子力學的學說
在那個時候電磁學, 廣義相對論, 和量子力學都還是完全不相干的理論
他一直認為背後一定有東西是相通的
但這一次他失敗了..因為他沒有任何的物理直觀picture可以導引他
甚至有人批評說..如果他人生最後三十年都跑去釣魚..也不會對世界有不同的影響
作者幫他平反的則是..現在物理理論界最紅的弦論..有機會完成Einstein的夢想
他的失敗只是當時對原子內的weak force和strong force都不了解
我的心得反而是..他晚年證明了他是如何的人
他不跟隨大多數人的腳步..只追求心中認為正確的方向
他在相對論的成功已經夠了..人類未來是否真的能建構出統一場理論也還是個未知數
我還是比較喜歡他這種先有直觀再求理論的做法
像量子力學那種沒人搞得懂的直觀..或是弦理論那種亂加dimension一通的縫縫補補的東西
可能只是告訴我們..人類還需要個幾百年來消化上世紀創出來的東西吧
畢竟我們從自然數的概念都花了好幾百年..到17世紀大多數人才把零, 負數和有理數當成理所當然的呢
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