愛因斯坦之最

驚奇 09-28

兩度抗議

公元1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，旋即成為物理學界的一顆新星。然而真正讓他家喻戶曉的成就，是十年後問世的廣義相對論。

到了1922年，愛氏已經成為全球最知名的科學家，唯一的遺憾就是仍和諾貝爾獎無緣。當年九月，他正準備應邀前往日本，突然收到一封信，大意是說：或許年底非常需要您來一趟斯德哥爾摩，如果那時您在亞洲，恐怕就無法成行了。

寫這封信的不是別人，正是諾貝爾物理獎委員會的主席，言外之意再明顯不過。可是愛氏居然不為所動，仍照原定計劃啟程訪日。

愛氏這麼做固然有點賭氣，卻也是一種委婉的抗議。因為過去十多年，他幾乎年年獲得諾貝爾獎提名，卻總是空歡喜一場。主要原因是兩種相對論都超越時代太多，當時的科技難以提供斬釘截鐵、不容置疑的實驗或觀測證據。

果然不久之後，愛氏便在旅程中得知自己榮獲1921年諾貝爾物理獎。沒錯，是1921而不是1922年，因為去年的物理獎「暫時從缺」，依據當時的慣例，次年補頒還來得及。

沒想到，根據諾貝爾獎委員會的官方說法，愛氏獲獎的原因是：「他對理論物理學的貢獻，尤其是發現光電效應背後的物理律。」就這麼短短一句話，對相對論居然隻字未提。

原因其實不難理解，隨著愛氏名氣越來越大，諾貝爾獎委員會的壓力也逐年上升。最後他們只好發揮創意，祭出一個進可攻退可守的妙招，從愛氏諸多的「理論物理學貢獻」中，挑選一個與相對論無關的項目當作主要授獎依據。

雖說手心手背都是肉，愛氏還是對相對論比較偏心，尤其是廣義相對論。可想而知，生性幽默的他難免要再抗議一次。機會是現成的，因為諾貝爾獎得主照例要做一次相關的學術演講，於是次年七月，愛氏在瑞典哥德堡補行了這個儀式，演講題目是〈相對論的基本概念與基本問題〉，大家不妨猜猜他有沒有提到光電效應。

一石二鳥

飛機俯衝時造成的零重力環境(圖像來源：維基百科)

時間回到十多年前，愛氏提出狹義相對論還沒多久，便已經開始感到不滿意。原因之一，狹義相對論有嚴格的條件限制(請參考〈迷思、迷思、迷思〉)，例如對加速度運動無能為力。原因之二，這個理論雖能涵蓋(嚴格說是推廣)牛頓的三大運動定律，卻無法容納萬有引力定律。換言之，只要問題中出現重力，狹義相對論就只能舉手投降。

有趣的是，愛氏後來用一箭雙鵰的方式，同時修補了這兩個缺陷，從而發展出他最滿意的廣義相對論。時間是1907年十一月，當時愛氏仍任職於瑞士伯恩的專利局，有一天在辦公室，他突然靈光一閃，冒出一個「一生中最高興的想法」。

這個想法可說是開啟廣義相對論的鑰匙，但千萬別以為它多麼深奧，恰恰相反，簡單到令人難以置信：一個從屋頂掉下來的人，掉落過程中感受不到重力。

不久之後，愛氏便根據這個想法，正式提出「等效原理」，大意是說在任何實質層面上，加速度和重力都毫無差異。

在日常生活中，我們不難找到這個原理的實例：搭電梯上樓，剛剛起步時，你會覺得自己變得較重(因為加速度提供了額外的等效重力)。反之搭電梯下樓，剛開始降落時，你會覺得自己變得較輕(因為加速度抵消一部分重力)。

正是因為這個等效原理，讓廣義相對論在發展之初就和重力結下不解之緣，成為日後物理學家(包括愛氏本人)研究重力的利器。可是請注意，等效原理固然重要，卻並非廣義相對論的基石，即使沒有它，廣義相對論也不會垮台──起碼還能精確地描述等加速度運動(所謂的Rindler度規)。

偏折的星光

1916年，愛氏正式發表廣義相對論的第一篇論文，文末提出了(以當時科技而言)可以驗證的三項預測。

其中之一是著名的「星光偏折」：由於太陽導致附近的時空彎曲，路過的光線也會跟著彎一下(並非太陽直接吸引光線)。這就好像在打保齡球的時候，萬一球道有點凹陷，一定會影響保齡球的行進。