愛因斯坦-改變遊戲的人（下）

在接下來的幾年中，愛因斯坦加深了他的思考，並於1916年為整個宇宙想出了一個更加普遍的框架。這便是他的廣義相對論。它闡述了他的觀點中加速度與重力的關係，以及空間的結構。他指出重力和加速度實際上是等價的。想像你正站在電梯里，一個蘋果從你手中落下：蘋果會落到電梯的地板上。而現在，如果你在某人切斷電梯繩索的那一剎那把手鬆開，蘋果會和你一起下落。蘋果實際上相對你來說沒有運動，因為你們同時下落。任何時候你都可以輕易地把蘋果握住。它永遠不會碰到電梯的地板，只要電梯和你一直在下落。這就是太空發生的事情，宇航員和他們的飛船實際上是自由落體狀態。

愛因斯坦的廣義相對論演示了空間或是說時空，是彎曲的。他預言了一些物理學家難以解釋的令人困惑的事情。廣義相對論指出當光線經過龐然大物的時候會被輕微彎曲。這是因為光（由光子組成）擁有質量，而那個更大的物體會對其施加引力。一次在日蝕中測量出來的結果證明這真的發生了。愛因斯坦的理論同時解釋了水星圍繞太陽運行的軌道產生的奇怪特性，而牛頓沒那麼複雜的引力定律則無法做到。

愛因斯坦思考極限小（光子）和極限大（宇宙自身）。他提出了一種引人側目的方式將其聯繫在一起。在此他對於量子論的貢獻不小於他的相對論。這些理論，以及背後的數學知識，都幫助定義物理學家思考大和小的方式。但愛因斯坦並不贊成一些物理學的新方向。他從來都堅信宇宙被鎖在一個因果關係的系統中。他的名言：上帝不會玩骰子。他的意思是事情總是按照規則的模式發生。不是所有人都贊同這一點，那些支持普朗克量子論的物理學家得到了其他結論。

電子是大部分早期量子研究的中心。第三十章解釋了尼爾斯·波爾於1913年提出的量子原子論。他發現電子是以既定的能量在特定的軌道上繞著原子核轉動。很多書籍都嘗試解釋這之間的數學關係。古典數學對此無能為力。為了解決這個問題，物理學家轉而運用矩陣數學。在古典數學中，2*3和3*2是一個概念。在矩陣數學中，並不總是如此，這使得一個澳大利亞物理學家歐文·薛定諤於1926年發明了新的方程式。他的波動方程描述了電子繞著原子核運動的過程。這是量子力學的開端。量子力學研究極限小，而牛頓研究的是極限大。就像二十世紀很多改變我們想法的物理學家一樣，薛定諤被迫從納粹的魔掌中出逃，在都柏林度過戰爭時期。我們也知道，愛因斯坦最後去了美國。

薛定諤的波動方程把一些秩序帶到了量子論當中。維爾納·海森堡（1901-1976）於1927年發現了測不準原理。這個原理有一部分是哲學，有一部分是實驗性的。海森堡說，對電子進行測量會改變電子的路徑。這對我們能知道的東西設置了限制。我們可以知道一個電子的動量（質量乘以速度），或者其位置，但不能二者兼得。測量一個就影響了另一個的測量。愛因斯坦像其他人一樣被這個想法驚嚇到了，並著手開始證明維爾納·海森堡的測不準原理是錯誤的。他無法做到。愛因斯坦承認被打敗了。至今為止這個原理保持著完整：我們對極限小的認知是有限度的。

電子對於保羅·狄拉克來說，也至關重要。這個複雜的英國人被稱為「第二個愛因斯坦」。他關於量子力學的書籍引領了這個領域前進至少三十年。他關於原子運動和亞原子運動的方程式同樣傑出。問題在於，他的方程需要一個奇怪的小粒子——帶正電荷的電子——才能運作。這便是在說物質和反物質同時存在。整個關於反物質的理論就是奇異的，因為物質才是宇宙唯一的實體。不到數年，尋找粒子的旅程十分成功，正電子也被發現了。這個電子的雙胞胎只有正電荷。它和電子融合在一起，爆發出巨大的能量，兩個粒子都消失殆盡。物質和反物質能在眨眼的一瞬間互相將對方消滅。

物理學家研究正電子得出原子不僅是由質子、電子和中子組成的。物理學家引出了越來越高的能量用以檢查它們的原子和粒子，然後我們再來看這些意義深遠的發現。「檢查」這個詞放在這裡不太合適。當高能量運轉的時候，物理學家很難直接看清楚實驗中到底發生了什麼。他們看到的其實是在電腦上的點，或者在他們的實驗器材上磁力和能量的變化。但原子彈、原子能以及有可能實現的量子計算都證明了自然的力量和神秘——儘管我們可能看不到。

馬克斯·普朗克的能量包，或者量子能，和艾爾伯特·愛因斯坦證明了物質和能量其實是可以互相轉化的兩方面。這些發現永遠改變了宇宙的面貌和我們的眼界。波與粒子；時間和空間：大自然展現出來的是「什麼和什麼」，而不是「要麼，要麼」，同時這些也都解釋了原子的結構和宇宙的誕生，它還能幫你在晚上回家。衛星距離地球這麼遠，衛星導航必須涵蓋狹義相對論。如果它沒有將這計算在內，你很可能會迷路。

本文譯自《A Little History Of Science》。該書由耶魯大學出版社出版，作者William F. Bynum。通俗易懂，深入淺出，雅俗共賞，老少皆宜。

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