第五章 那關於一切的理論 II ─ 陪你讀霍金《大設計》The Grand Design

■陳以聖 / 原載：κrazian

法拉第之後，大家對於電磁學的瞭解又停頓了好一段時間，直到1860年代，蘇格蘭的麥斯威爾(James Clerk Maxwell)才又再起風雲。他先是將電力和磁力以數學方程式結合起來，成為「電磁場」。換句話說，這兩個力其實是一碼子事，是一體的兩面。接著，他又根據實驗數據計算，發現電磁場的傳播速度幾乎等於光速。意思是說，我這裏的電磁場一變動，您那裡很快就感覺到，這其間和光速一樣快。就像你一起心動念，想要回家， 家裡的狗立刻有所感應，便晃到門口準備迎接你，那樣的感應速度。

更驚人的是，麥斯威爾發現，這如同波浪般以光的速度傳遞的「電磁場變動」，根本就是我們所習見的「光」。這麼撼動人心、振聾啟聵的發現，影響著世世代代高科技的發展。而今，看著他的電視、打著他的手機的你，卻只道他是個賣咖啡的！

麥斯威爾的威力絕不僅只於此：雖說「光」就是「電磁波」，但是，電磁波並非只有光。紅外線夜視鏡所看見的「光」，海邊殺傷你皮膚的強烈紫外線，微波爐煮熟食物的微波，到醫院照張X「光」片，收音機、手機接收到的「訊號」，全都是電磁波。它們在本質上是一樣的東西，差別只在於「波長」不同而已。人們「看得見」的那一小部分電磁波，我們稱之為「可見光」；其他部份，我們則給予不同的名稱。就像浪(的波長)小些我們不叫浪，叫它波、叫它漣漪；再小我們看不見，就沒名兒了；而(波長)太大的浪，我們叫它巨浪、海嘯；再大些，就只感覺到「起伏」了。然其為波浪則無不同。

我們之所以會看得見這一小段電磁波，而沒有被它烤熟，全然是演化的傑作。因為太陽八方放送，經地球大氣層過濾之後，剩下的主要就是這一小段。人類不但演化出眼睛來看它，人們的腦袋還演化出視神經，來賦予它繽紛的七彩情調。反過來說，會被烤熟的生物早就不活了，何來萬代子孫，繁衍至今？這也就是為什麼，人類總幻想著，哪天如果來到一個充滿「敵意」的外星球，肯定不是被嗆死，就是被烤焦。幻想歸幻想，對這唯一的、「友善的」地球，卻仍然毫不留情的糟蹋著。這短視近利的本性，當然，也還是演化出來的「成果」！

話說麥斯威爾計算出電磁波的傳遞速度(也就是光速)，卻引發一場物理學的大啟蒙。「速度」能有甚麼花樣嗎？你問。平常我們談速度，跑步的速度、開車的速度、颱風行進的速度、水流的速度、浪濤推進的速度，大家都不會有甚麼爭議。沒有人會問：「你說的速度到底是相對於甚麼而言？」真的問了，大概會遭到白眼：這還用說嗎？當然相對於靜止的地面而言囉。雖然我們也知道，地面並非真的靜止不動的，但是大夥兒都在這上面混飯吃，總犯不著把所有速度都加上地球自轉的速度，以符合太陽「人」的觀點；或再加上公轉，以配合北極星「人」的觀察吧！

其實我們也不是不知道，「速度」是個相對的概念。搭過台鐵那種每站都停，最值回票價的「普通/平快」火車的人，最有體會。它經常在某個小站一停就停很久，明明老早就沒人上下車了，它還硬是杵在那兒，不走就是不走。這時駛來一列亮晃晃的莒光號，和你併排停住，作伴解悶。不多久，空隆一聲，你的車開動了。你微笑的欣賞著漸漸被你甩下的友車，速度愈來愈快。終於一長聲嗚鳴，你拋開友車，揚長而去。突然間：咦，怎麼又回到原來的月台邊上了？這時又空隆一聲，身子晃動，你清醒了過來：嘿，搞不清楚狀況，人家可是莒光號哪，你連個名號也沒有。我看你往東邊移動，你看我就是往西邊移動，這就是「相對」速度，是吧。

當然，這種凡事皆「相對」的概念，也是前一次「啟蒙」之後，才變得普及，進而成為你我的基本常識的。從最早的「地球為宇宙的中心」那種「絕對」的自信；到經過「哥白尼、伽利略等人拼死拼活，才勉強把中心的位置拱手讓給太陽」的相對覺醒；再到「我們所處的銀河系也只不過是宇宙中千億銀河系裡的一個，而太陽又只是這銀河系內千億個恆星中的一個」的絕對頓悟；每一次的啟蒙，都將人類推向更為渺小的境地，我們都已經不曉得該如何感受「微不足道中的微不足道」了。

然而，無「絕對」難以成「相對」，捨「相對」亦無從談「絕對」。也就是說，「絕對」和「相對」也是相對的。你這會兒多半認為我開始神智不清、胡言亂語了。這麼著，舉例來說吧，當你說你減肥有成，瘦了三公斤，顯然你興高采烈的原因是：這會兒量得的體重比上個月量得的要輕。這當然是相對的概念，因為你可能還有三十公斤要減。而這個「相對」，必須建立在體重計的「絕對」上。如果體重計也是「相對」的，小姐量和先生量不一樣，晴天量和雨天量結果大不相同，那要如何比較呢？所以說，無「絕對」難以成「相對」。

再談談「時間」。我們都認為「時間」再絕對不過了：世事變幻無常，地震海嘯、滄海桑田，唯有「無情的」時間亙古不變、穩定的前進著。然而試想，如果這個宇宙突然間完全靜止了，時間還是那麼的絕對嗎？甚至如果沒有這個宇宙，時間又是何物？如果時間忽快忽慢，就像你拿著遙控器看租來的影片時，乏味的就給它快轉，精彩的就慢動作播放那樣。這時你是「影片宇宙」的主宰，對你而言，他們的時間要快要慢，由你做主；但是「影片宇宙」中的「人們」，卻無從知曉，他們所認定的時間仍然是「絕對」的。因為，他們對時間的感知與認定，完全是「相對」於其周遭的事物、自身的節奏、日出日落等天體的運行，甚至最先進的計時工具「銫原子鐘」等等「宇宙內部」的事物。所以說，捨「相對」亦無從談「絕對」。

問題來了，那麼，麥斯威爾算出光的速度是甚麼意思呢？光「速」是相對於甚麼而言呢？宇宙到處都有光，這裡的光和那裡的光，並無不同。除非有個「絕對」靜止的東西當參考，我們才能說「光速」是多少，不是嗎？人們才剛剛理解，所有物體的移動速度都是相對的：你在公車上跑，車在路上跑，車子所在的地球在轉，地球又繞著太陽轉，而從別的星系看太陽系，又正高速的遠離當中……怎麼又說光有個計算得出的速度呢？

人們開始奮力尋找那「相對於光」而言，無所不在又「絕對靜止」的東西，並迫不急待的奉上「以太」如此響亮的名字。想像著以太就如同大海般瀰漫整個宇宙，光在其上行進，就像浪在海上滾進一樣；又好比聲音在空氣中傳遞一般。只是以太實在太神祕，完全沒辦法證實它的存在。麥斯威爾建議，可以在地球上測量不同方向的光速做比較。地球繞著太陽轉，因此地球相對於以太的速度必定不斷的在變化著，所測得的光速當然也會不同。大家一聽，都覺得他在說笑：說得倒好聽，該怎麼做呀？因此他生前一直沒能看到結果。直到他去世後，美國人Albert Michelson和Edward Morley才完成這個實驗。結果發現，不同方向的光速完全沒有甚麼差別！

這下科學家們頭都大了。絕大多數的人對這個打從亞里斯多德時就提出的以太，是沒有懷疑的。於是，只好拼命提出各種稀奇古怪的解釋，瞎掰硬拗，就為了替以太延長壽命。只除了當時在瑞士工作的一個二十六歲年輕人，愛因斯坦。愛因斯坦非常乾脆：既然不管怎麼量，光的速度都是一樣的，光速自然就是絕對的囉，就醬！

啊？就這樣？聽起來似乎沒甚麼了不起，誰嘛都會說，不是嗎？不過，這裡面實在是大有學問的。這不僅僅只是揚棄所有關於以太的傳說而已，真正的學問，在於顛覆了人們過去對時間和空間的概念。原先，我們都以為時間和空間是絕對的，而「移動的距離」顯然就看誰是那個觀察者而定，因此，「速度」(移動距離/時間)必然是相對的，不是嗎？如今，竟然說「光的速度」才是「絕對」的，而我們一向認定為無情而絕對的「時間」和「空間」，才反而是「相對」的。這也太玄了吧！這樣的說法，要我們平凡人如何接受呢？這比那看不見、摸不著的以太還要難以相信，不是嗎？

這就是愛因斯坦1905年那篇如雷貫耳的「特殊相對論 Special Relativity」所談的了。它的道理並不難懂，難是難在它違反直覺，使你的內心不由自主的排斥、抗拒、扭曲。最後，縱使你內心百般的不願意，各種實驗卻都一再的證明他是對的，你也只得依了他。

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