相對的宇宙, 愛因斯坦的困惑: 黑洞謎團、弔詭悖論、學者舌戰……淺談相對論與20世紀物理學

一本所有人都能輕鬆閱讀的相對論科普作品
一窺愛因斯坦與20世紀物理學界的精采大戲

◎當牛頓不再可靠：相對論與量子力學　
　　19世紀末，牛頓力學和馬克士威電磁理論成果斐然。不過，科學畢竟是無止境的，晴朗的古典物理天空中慢慢地積累了兩片烏雲。而愛因斯坦生得「逢時」，他抓住了這兩片烏雲。他稍稍撥弄了一下第一片烏雲，一篇光電效應的文章，引出了量子的概念。後來，在許許多多物理學家的共同努力下，創立了量子理論。而第二片小烏雲，則引發了愛因斯坦的相對論革命。
　　量子論和相對論，分別適合描述遠離人們日常生活經驗的微觀世界和宏觀世界。兩個新理論的誕生需要人們轉變觀念，因為這兩個理論導致了許多與人們生活經驗不符的奇怪現象，諸如量子力學中的「薛丁格的貓」、本書中將要介紹的「孿生子悖論」等。
　　有位詩人為牛頓寫下幾句令人感動的墓誌銘：
　　「上帝說，讓牛頓降生吧。於是世界一片光明。（God said, Let Newton be! and all was light.）」
　　另一位詩人則在後面加上了兩句玩笑話：
　　「魔鬼撒旦說，讓愛因斯坦出世吧。於是，大地又重新籠罩在黑暗之中（But Satan brought Einstein to the fore. Now all is dark, just as before.）。」

◎愛因斯坦的鎖：廣義相對論的數學功臣黎曼幾何
　　愛因斯坦曾經在一次演講中談到數學和物理的關係時作了一個比喻。大意是說，如果沒有幾何只有物理，就好像文學中沒有語言只有思想一樣。的確如此，愛因斯坦對時間、空間非同尋常的見解，對重力、加速度等效而使得時空彎曲的幾何思想，令他感到無比快樂而著迷。因此，他當時感到急需找到一種合適的語言來描述他的物理概念，說出他深奧的思想！這是一種什麼樣的語言呢？在建立廣義相對論的過程中，愛因斯坦迷惘而困惑了好幾年，直到1912年的一天，他突然想到，解開祕密的鑰匙似乎就是高斯的曲面論。於是，他立刻請教好友格羅斯曼。完全出於他的意料之外，格羅斯曼告訴他，比高斯的曲面論更進了一步，半個世紀之前的黎曼，已經幫他的重力理論想出了一個完美的數學結構：黎曼幾何。
　　數學，特別是黎曼幾何，無疑對愛因斯坦創立廣義相對論有至關重要的作用。儘管愛因斯坦曾經被數學老師稱為懶狗，大眾中還傳說他數學曾經不及格之類的謠言，但那都不是一個真實的愛因斯坦。其實，愛因斯坦並不缺少數學天賦。按他自己的說法，16歲之前就已學會歐氏幾何和微積分。只不過，年輕時代的愛因斯坦出於對物理的執著和熱愛，只把數學看成為表述他的物理思想的語言和工具。

◎霍金的賭注：圍繞數名物理學大師的黑洞戰爭
　　你可能沒有聽說過，霍金因為對黑洞問題的理解，曾3次與物理學界的同行們打賭，但有趣的是，每次都以霍金輸掉賭局而告終。
　　1997年，索恩、普雷斯基爾與霍金就以上所述的黑洞資訊丟失問題打賭。霍金認為黑洞蒸發後資訊消失了，而索恩和普雷斯基爾認為黑洞可以隱藏它內部的資訊，三人打賭的賭注是一本百科全書。
　　黑洞資訊悖論，實際上也是因為廣義相對論與量子理論的衝突而產生的，霍金站在廣義相對論一邊，色斯金等人則站在量子論一邊。索恩和普雷斯基爾其實都算是重力方面的專家，不過，他們獨具慧眼，將賭注下到了色斯金一邊。
　　色斯金和特霍夫特從計算黑洞熵中悟出了一個全象原理（Holographic principle），從而解釋了資訊悖論。全象原理認為，資訊不會丟失，黑洞的邊界儲存了進到黑洞中的包括物質組成和相互作用的所有資訊。
　　全象原理的成功，使得霍金本人也認輸：在2004年一次廣義相對論和重力國際會議上，霍金宣布，黑洞的演化是符合因果律的，並沒有丟失資訊，他承認輸掉了這場賭局。

★本書特色
－由專業物理學者執筆，文筆輕鬆有趣
－減少使用專業術語和數學公式
－眾多圖片解說，深入淺出介紹深奧物理理論
－使用素材具有學術價值，涉及許多前線科學家正在思考的問題
－捨棄解說枯燥公式，著眼於梳理科學家建立理論的思路