【電子書】重力簡史：牛頓的蘋果如何啟發重力法則、相對論、量子論等重大物理學觀念

導讀　大自然奧祕的解答，就存於好奇心中
——國立清華大學天文研究所特聘教授  江國興

小時候，我的爸爸總愛講一些科學家的故事，也許這就促使我從小就十分喜愛科學，以及對科學家的生平事蹟產生興趣。我印象最深刻的故事是阿基米德的「Eureka！」（我發現了！）及牛頓的蘋果樹。雖然這兩個故事可能都是虛構的，但可以確定的是，阿基米德和牛頓都有著如故事中驚人的洞察力和聯想力，再配合他們非凡的數學才華，使他們成為偉大的科學家。

《重力簡史》一書便從牛頓的蘋果樹開始說起。時至今日，那棵蘋果樹仍立於英國林肯郡的伍爾索普莊園，還成為英國50棵最重要的樹之一。在伍爾索普莊園內，牛頓改寫了現代科學，他不到2年便發明微積分，以及完成光學和萬有引力的研究。雖然牛頓的學術成就很早已在學術界得到認同，在離開莊園後隨即成為劍橋大學教授和皇家學會院士，但他偉大的萬有引力理論，要待20年後才正式發表。

這本書的第一及第二章便試圖分析箇中原因。牛頓除了個性複雜且矛盾，更是位實用和完美主義者。雖然他早已發現讓蘋果掉下來的力量，與讓月亮掛在天空的力量，都源於同一種力。他必須證明重力是種萬有力，主宰宇宙一切物體的運動，並以精準的數學語言描述，更要說服自己這的確是一套完美的理論。因為哈雷的一個問題，牛頓再次投入重力的研究，更精益求精，將成果以臻於完美的方式呈現。這便是1687年出版的《自然哲學的數學原理》，而哈雷彗星更是牛頓的運動定律與重力定律的最佳驗證。今天，哈雷的房子和天文台仍保留在牛津大學城內，每次我回到校園時，總會到他的故居緬懷他當年鼓勵牛頓發表其偉大著作，促使現代科學的發展。

牛頓的重力定律不只具有普遍性，還很簡單。這就是科學的美。重力平方反比定律，可以解釋行星的運動、尋找新的行星，甚至太陽系外行星、測量銀河系中心黑洞的質量，以至推算暗物質的分布。坊間很多探討重力的科普書籍都有精采的描述，但這本書的最大特色是，作者花了很多的篇幅論述重力與潮汐的關係。潮汐跟我們日常生活息息相關，特別是台灣四面環海，河流貫穿大城市，潮汐預報更不可或缺。牛頓便是第一個以完備的理論解釋潮汐因由的科學家。書的第三章除了討論牛頓怎樣利用萬有引力理論預估漲退潮時間，更比較月亮與太陽對潮汐的作用，以及潮汐對井水和大型強子對撞機的影響，最後更延伸到太陽系內其他衛星。事實上，在宇宙裡所有雙星系統都不能忽略潮汐力。

牛頓的研究和著作打開現代科學的大門，而1846年發現的海王星更將牛頓的萬有引力理論推至極致。可是問題終於來了，牛頓的重力理論未能解釋水星的異常軌道。雖然這是一個有趣的問題，但在愛因斯坦之前，沒有人意識到這是源於牛頓對時間和空間概念的誤解。

愛因斯坦的事蹟和科學成就在本書的第五、第六，以及部分的第七章有簡單的描述，篇幅明顯比牛頓的少。可能是因為坊間已有大量與愛因斯坦有關的科普書籍，但重點是作者帶出愛因斯坦跟牛頓作為偉大科學家的特徵，以及他們對科學的態度。愛因斯坦跟牛頓一樣，是一位專注力十分高的科學家。書中提到1905年是愛因斯坦的「奇蹟年」，愛因斯坦花了幾個月就完成4篇重要的科學論文，其中光電效應為他贏得了1921年的諾貝爾物理學獎，而狹義相對論和質能轉換更奠定相對論的基礎，當中E=mc2更是家喻戶曉的方程式。愛因斯坦放棄牛頓的絕對空間與絕對時間概念，推翻牛頓的世界觀，用自己的一套想法全新演繹現代物理。

雖然牛頓與愛因斯坦的時代背景完全不同，但他們石破天驚的發現有一些相似的地方。牛頓的「奇蹟年」是在與世隔絕的伍爾索普莊園，當時他剛從劍橋大學畢業，為躲避鼠疫而回家；而愛因斯坦的「奇蹟年」，是他找不到大學職位，只能在瑞士伯恩專利局當三級技術專員。也許是生活乏味枯燥，讓他們驚人的專注力花在研究上。他們問了一些很基本、很簡單的問題，然後放在心裡，時時刻刻專注思考，直至得到滿意的答案。牛頓受到伽利略的啟發，發展出三大「運動定律」，進而解釋克卜勒定律和發現萬有引力定律，還自創微積分這門數學工具（與德國數學家萊布尼茲同期但各自獨立發明微積分）。發現過程雖然不到2年，但編撰成書卻耗時20年。愛因斯坦則延伸伽利略的相對性原理，屏棄牛頓的絕對空間和絕對時間概念，找到光速恆定，從而解答他16歲時問的一個問題：「如果能夠追上光，那會是什麼樣子？」也就是說，這個問題在他心中有10年之久。牛頓解答了克卜勒從觀測歸納出來的行星運動，並推廣其理論到其他科學領域，愛因斯坦則回答了光的本質，徹底改變物理學的基礎。

因狹義相對論不能應用在加速的環境，加上光速恆定跟牛頓的重力定律在概念上有所衝突，愛因斯坦必須將相對論廣義化。從狹義相對論到廣義相對論，愛因斯坦花了接近10年的時間，專注的研究工作更導致日後的家庭問題，其中最主要的目的是要解釋重力的本質。牛頓將重力想像成平方反比定律，兩個物體之間必定有一道「力」牽引著，但就沒有說明這道「力」到底是什麼。愛因斯坦將重力化身為時間和空間的扭曲，不僅如此，物質能改變時空的形狀，而時空的形狀又主導物質移動的方式。這是廣義相對論最奧妙之處。

廣義相對論發表後，愛因斯坦隨即要解答重力的傳播問題，亦即時空結構中的波動，也就是第六章討論的重力波。重力波無疑是廣義相對論其中一個最重要的驗證，科學家努力了100年，終於在2015年9月14日首次偵測到重力波。這本書剛好在2016年2月的重力波發布會之後出版，在前言和第六章都有介紹這次發現的重要性。過去2年，重力波的觀測可謂突飛猛進，至2017年8月為止，科學家共找到5個來自雙黑洞合併所產生的重力波。而在2017年8月17日，更發現首個雙中子星合併的重力波，並找到來自合併所釋放的電磁波輻射，也就是光子，使我們更了解中子星合併後的演化過程，這是一次史無前例的觀測。而3位來自雷射干涉重力波天文台（LIGO）團隊的靈魂人物，更獲得2017年的諾貝爾物理學獎。待LIGO在2018年年底經升級後再次運作時，重力波的研究將大放異彩。

廣義相對論將現代物理學推向新的高峰，但同時帶來新的問題。廣義相對論可以推導出黑洞和大霹靂，它們的共通點是奇異點的存在。由於奇異點的重力是無限大，換句話說，時空扭曲至無法描述，廣義相對論因此面臨重大危機。要了解奇異點的物理，我們要結合廣義相對論和量子論，也就是量子重力論。可惜的是，廣義相對論和量子論的本質並不相容。書末兩章便介紹量子重力論的最新發展。我們可以預期，這套更深層的理論，將會幫助我們進一步了解宇宙誕生之謎。

牛頓和愛因斯坦同樣被掉下來的東西吸引著，透過思想實驗，造就了驚人的發現，更用一套漂亮的數學語言使之呈現。科學之所以引人入勝，就是你永遠不會知道正確答案，而你的責任就是盡情發問，脫去前人的枷鎖，透過思考和觀察，尋找最簡單的答案，也許過程充滿挫敗感，但最後你會感受到喜悅。這就是大自然。剛逝世的霍金說：「我希望鼓勵更多人去想像和探討已知和未知的科學。」