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2021-05-31愛因斯坦一生中最幸運的靈感 廣義相對論的助產士
618 期
Author 作者
賴昭正／前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊。
「我從未通過理性思考的過程取得任何發現。」──愛因斯坦（Albert Einstein）
1905年是理論物理界的一個「奇蹟」時代，那年一位名不見經傳的瑞士專利局小職員愛因斯坦，在德國名期刊《物理年鑑》（Annalen der Physik）發表了4篇諾貝爾獎級的論文。其中一篇就是大家耳熟能詳的「狹義相對論」，在該篇文裡，他只用「等速運動者所觀測到的物理現象完全相同」及「光速為一定值」兩個假設，就徹底改變了物理學家300多年來對於時間與空間的觀念！
在那裡根本不須假設「乙太」的存在：光速對任何等速運動者都是相同的；在那裡「勞倫茲轉換」（Lorentz transformation）是必然的結論，而不是為了解釋實驗的負結果而捏造出來湊答案。因此「狹義相對論」雖然沒有直接回答乙太是否存在，但物理界幾乎清一色地認為，狹義相對論與邁克生－莫雷實驗（Michelson-Morley experiment）的結果，毫無疑問地判了乙太死刑。
但曲高和寡，如此重大的發現，除了《物理年鑑》的編輯委員，當時的理論物理大師普朗克（Max Planck）之外，這篇論文並未受到物理學界廣泛的重視，因此愛因斯坦只得繼續在瑞士專利局上一天8 小時的班，而在1907年11月的某一天，他突然靈光一現。
「當我正坐在伯恩（Bern）專利局的椅子上時，突然想到：『一個自由落下的人將不會感覺到自己的重量』。我愣了一下，這簡單的假想實驗給我留下了深刻的印象，正是它讓我發展了重力理論。」
為什麼這一突然的領悟讓愛因斯坦嚇了一跳呢？原來他在1905年所提出來的狹義相對論有兩個美中不足的大缺陷。第一，它不能處理加速度運動的問題；第二，它不包含牛頓的重力理論。由於牛頓的重力理論已相當圓滿地解釋了宇宙的運行，將它排在外面可能不只美中不足，相信也不會有太多物理學家在意他的新理論。
加速度的問題似乎比較容易解決，因為如果加速度不大，且時間非常短，我們可以把它視為一種等速運動。可是重力呢？它到底是什麼「東西」？牛頓雖然成功地用它來解釋物體間的相互作用及相對運動，但那僅止於現象的解釋，並未說明重力本質。正如大氣壓力一樣，我們可以用它來解釋許多觀測到的現象，但如果不了解其本質，我們很難有進一步的發展。又如19世紀中，維也納修道院的神職人員兼科學家孟德爾（Gregor Johann Mendel）就已經從大豆配種的實驗中，發現了抽象的遺傳因子（unit of heredity），但百年後遺傳學及分子生物學才因解開此遺傳因子DNA 的結構而迅速、蓬勃地發展起來。
等效原理：你能感受自己正在墜落嗎？
一位正在自由落下的人並不會感覺到自己的重量，那不是等於漂浮在沒有任何重力的外太空空間嗎？如果加速度可以抵消重力，那麼在沒有重力的情況下，加速度本身不是可以模擬重力，產生與真實重力沒有區別的人造重力嗎？愛因斯坦稱這一發現為「加速度和重力的等效原理」（principle of equivalence of acceleration and gravity），簡稱「等效原理」（principle of equivalence 或 equivalence principle）。愛因斯坦在其演講中對此做了進一步的描述：
「兩名物理學家A和B從睡眠中醒來，注意到他們位於一個具備了所有儀器，且密閉不透明的箱子裡。他們不知道箱子在什麼地方，也不知道它們是否或如何運動。他們在醒來後確認了如果釋放箱子中間的物體，它們均將以相同的加速度g朝同一個方向（例如向下）運動。這兩位物理學家可以從中得出什麼結論？
A由此得出的結論是，箱子位於一顆行星上，如果行星呈球形，則向下方向應是朝向行星中心的方向。但B卻認為他的箱子漂浮在沒有任何重力的外太空中（沒有行星在附近），透過作用在箱子外部的力，箱子正保持著均勻的加速g「向上」運動。
有什麼標準可以決定誰是正確的？我們沒有這樣的標準。」
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