2015 十月號
標頭

第119期電子報  出刊日期:1041016


科學新文摘

 

愛因斯坦 廣義相對論 100 年

撰文/ Scientific American 編輯部
翻譯/甘錫安

大家都知道重力是什麼。如果有個盒子應該被推倒卻沒有倒下,連三個月大的嬰兒都會露出驚訝的表情;一歲大的小孩就知道,一個不穩定的物體是否會倒下,決定因素是它的形狀。科學家原本認為重力是往地球掉落,後來則採取更廣義的方式,把重力視為任何兩個質量間的引力。

後來愛因斯坦出現了。 1915 年,他在廣義相對論中揭示,重力不是一種力,而是宇宙彎曲的副產物。換句話說,日常經驗賦予我們對重力的認知是錯的。

發表於 1915 年 12 月 2 日的〈重力場方程式〉起初除了學界以外,並未引起很大的迴響。數年後,由艾丁頓爵士( Sir Arthur Eddington )率領的日食探險隊進行了一項觀測,使這個理論一夕成名。依據愛因斯坦的預測,星光在通過太陽附近時應該會彎曲,艾丁頓首先證實了這個彎曲現象。《紐約時報》宣佈「科學界對日食觀測結果有點兒激動」,後來成了著名標題。

他們激動是有原因的。我們很難想像一個世紀之前,廣義相對論的概念對當時普遍存在的宇宙和物理世界觀具有多大的破壞力。突然之間,空間和時間不再只是天體實際活動的背景。時空擁有自己的幾何結構,時空彎曲造成天體運動,也使我們的腳牢牢站在地面上。廣義相對論還指出,即使是光也必須依循時空的輪廓行進。

相對性的革命接著形塑了 20 世紀的許多領域,對哲學、藝術、政治和流行文化都有影響。它的發明者的名字成為天才的同義詞,沒沒無名的愛因斯坦成為全世界最傑出的科學名人。他憑藉自己的地位,在全球大事件中扮演重要的角色:他以提倡發展原子彈聞名,並在其後的數十年為這個錯誤懊悔不已。他遊說國會議員保護猶太人,同時公開批評種族主義,也積極倡導民權。此外,愛因斯坦的聲望和他的重大概念成為大眾認識科學的轉捩點,使 20 世紀成為科學年代,同時引領一直延續至今的科技轉變。

廣義相對論 100 年是個難得的機會,可以藉此檢視科學界令人難以置信的進展步調以及它對社會的影響。《科學人》 2015 年度專輯將回顧我們從愛因斯坦的傑出成就學到了什麼,同時展望這些成就在未來可能揭露哪些奧秘。包括從廣義相對論拓展出的眾多新研究領域(參見 62 頁),以及引領這位天才踏上相對論之路的靈光乍現時刻(參見 44 頁),並了解他如何運用純粹思考的力量探究這些真理(參見 52 頁),就連愛因斯坦所犯的錯,通常依然極具啟發性(參見 56 頁)。

另外我們還將了解,許多人認為愛因斯坦最大的一項錯誤,也就是他抗拒接受量子力學,其實只是誤解(參見 94 頁)。為了尋找愛因斯坦天賦的源頭,有人已經走火入魔,並且試圖研究愛因斯坦腦子的神經解剖結構(參見 88 頁)。我們也將剖析愛因斯坦的行為,探究我們對天才的迷戀(參見 86 頁)。

廣義相對論問世後的這 100 年也很重要,因為廣義相對論至今仍然未能統合重力與其他作用力,建立適用於萬物的統一理論。

愛因斯坦窮盡人生最後的歲月,追尋更高深的法則。這套法則不僅適用於廣義相對論解釋的宇宙,也適用於量子力學解釋的原子內部世界。他以為這個夢想近在咫尺,但好幾世代的物理學家努力了整整一個世紀,依然無法得出單一自然理論,相對論和量子力學至今仍然無法互相融合。

科學家近年來另闢蹊徑,探索暗物質和暗能量等愛因斯坦時代之後出現的數項宇宙奧秘,希望這些新的研究方向最後能協助我們實現愛因斯坦的夢想(參見 66 頁)。其他研究人員則藉由黑洞的極端狀況檢驗廣義相對論,試圖找出它的漏洞(參見 80 頁)。此外,廣義相對論最不可思議的結果之一,也就是它帶來了時間旅行的可能性,或許也可為人類發現自然界更深一層的奧秘打開一扇門(參見 74 頁)。

顯然,廣義相對論對 20 世紀物理學發展的重要性超越其他科學理論,愛因斯坦對 21 世紀的影響同樣超越其他科學家。在這個意義重大的百年時刻,物理學正等待著下一代的廣義相對論,我們也需要另一位愛因斯坦。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人 2015 年第 164 期 10 月號】


活動訊息_圖示

諾貝爾獎 / 揭開微中子質量之謎 挑戰標準模型理論

日本學者梶田隆章和加拿大學者麥唐納因解開微中子的秘密,共享諾貝爾物理學獎。瑞典皇家科學院說,這些發現向現行粒子物理學的「標準模型」理論拋出挑戰。
 
日本學者梶田隆章和加拿大學者麥唐納因解開微中子的秘密,共享諾貝爾物理學獎。瑞典皇家科學院說,這些發現向現行粒子物理學的「標準模型」理論拋出挑戰。  

「標準模型」( Standard Model )理論解釋宇宙間粒子和力量如何互動的概念。  

法新社斯德哥爾摩 6 日報導,瑞典皇家科學院( Royal Swedish Academy of Sciences )說,兩人的研究有助確認微中子具有質量。  

科學院還說:「這項發現改變了我們對物質最內部活動的了解,而這對我們對宇宙的看法可能關係重大。」  

微中子是輕量的中性粒子,可由核反應產生,例如太陽產生陽光的過程。  

微中子是僅次於光子的宇宙中數量第 2 多粒子,科學家 1930 年就初步提出存在微中子粒子,但到了 1950 年代才獲得證實,當時核反應爐已開始製造粒子束。  

而主流理論宣稱微中子不具有質量,然而 ( 木尾 ) 田隆章和麥唐納率領的團隊實驗,分別證實這並非事實。  

他們發現,太陽活動發射出大量電子微中子,「振盪」轉變成渺子微中子( muon neutrino )和濤子微中子( tau neutrino )。  

根據量子物理學的規則,只有在微中子具有質量的情況下,微中子才能轉變成另 1 種類型的微中子。  

諾貝爾委員會說:「這對粒子物理學和我們對宇宙的瞭解,有著開創性的重要性。」  

委員會還說:「這些實驗首度揭露標準模型存在著顯而易見的瑕疵。愈來愈明顯的是,標準模型理論已無法成為解釋宇宙基本構成和運作方式的完整理論。」  

為了更加瞭解這些難以理解的粒子,全球各地正在進行密集的研究。  

評審委員會說:「揭開它們最深處秘密的新發現,料將改變我們當前對宇宙歷史、結構和未來命運的瞭解。」(陳淑娟編)  

新聞來源網址: http://www.cdnews.com.tw/cdnews_site/docDetail.jsp?coluid=109&docid=103402056

 


活動訊息_圖示

主  題:簡易光譜儀DIY與數位化分析之教學應用
日  期:104年9月17日(星期五)13:30-17:00
講  師:楊仲準教授
地  點:臺中一中慎思樓7F多媒體教室2
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1834383

主  題:2015物理學史研習會
日期地點:臺北場2015年10月24日9:00~17:30,地點:東吳大學
      高雄場2015年10月31日9:00~17:30,地點:高雄中學
研習內容:臺北場議程下載http://goo.gl/RMwTDr
      高雄場議程下載http://goo.gl/K1ctRg
報名網址:https://goo.gl/bCCiCc

主  題:科學史講座(七)
日  期:104年10月20日(星期二)下午14:00~17:10。
講  師:嚴宏洋研究員、王道還助理研究員
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1869859

主  題:科學史講座(八)
日  期:104年10月27日(星期二)下午14:00~17:10。
講  師:李國偉研究員、王道還助理研究員
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1869861

主  題:高中宇宙學與大考的祕密
日  期:104年10月29日下午13:30-17:10
講  師:吳俊輝教授
地  點:國立中央大學理學院教學館106室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1864154

 

主  題:廣義相對論100年導讀會
日  期:104年10月25日14:00~16:00
地  點:臺灣師範大學教育大樓201演講廳
活動網址:http://www.ylib.com/scientific/activity/20151025/edm.html

主  題:一方程式見宇宙─愛因斯坦方程式100周年
日  期:104年10/03~12/19,週六14:00~16:30(10/10、10/31、11/07、11/28不舉辦)
地  點:臺灣大學應用力學研究所 國際會議廳
活動網址:http://case.ntu.edu.tw/SciMonthly40/sm40blog/?p=9301#more-9301

主  題:在自然中看見科學,用科學來理解自然
日  期:104年11月20日 14:10 至 16:10
講  師:孫維新 館長
地  點:國立自然科學博物館地下樓國際會議廳(藍廳)
活動網址:http://cal.nmns.edu.tw/NMNS_Cal/Detail_Ann.aspx?ANID=9217

 
 

物理學科中心承辦學校為臺中第一高級中學
物理學科中心網址: http://physical. tcfsh.tc.edu.tw/ 
物理學科中心FB粉絲專頁:http://goo.gl/2hDFA3


一、 學科中心提供的服務
  • 教師專業成長相關進修研習
  • 教材教法示例與各類教學資源分享
  • 課程宣導與推廣
  • 學科實務意見蒐集
  • 教師討論網路平台
  • 發行學科電子報
二、 學科中心推動工作
  • 研發及蒐集學科教學資源
  • 培訓學科種子教師
  • 規劃辦理分區或縣市教師增能研習
  • 建置學科教師區域聯繫網
  • 學科中心電子報與網路平台服務
 

 

 


物理學科中心網址: http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/
聯絡電話:(04)22226081轉811        email  聯絡信箱:physics@tcfsh.tc.edu.tw
聯絡人: 蔡沛霖