沒有終點的旅程
徐遐生
佛克這本解釋物理基礎定律的企圖之作，肇因於物理學家列德曼發人省思的一段話：「我希望能活著看到，所有的物理學簡化成一個優雅而簡單的公式，簡單到可以寫在一件T恤的正面。」在美國，方程式是科普書的票房毒藥，所以為了美國讀者，這本厚達兩百多頁的書，一條公式都沒列。中文讀者比較能接受數學公式，知道一些公式可能也比較容易理解這本書的主題。
本書以歷史的角度切入，從古希臘哲學家泰勒斯開始。他在解釋為什麼太陽會在大白天消失時，捨棄神話中諸神與惡龍的傳統說法，改以預測太陽、月球和地球的相對位置，來解釋日蝕現象的成因。此外，泰勒斯認為宇宙是由「水」構成的，不過很快又被其他哲人添上「火」「地」「風」三個構成宇宙的「元素」。因為亞里斯多德認為「自然厭惡真空」，所以在四元素之外，又提出第五元素。接下來，佛克轉而介紹古希臘唯物主義哲學家德謨克利特的「原子與虛空」概念。「元素」是種準化學概念，而建構世界的小磚塊─「原子」，則是與之相對的準物理學概念。這兩組探討宇宙組成的概念最後在量子理論的世界完成統合。而任何一個出現在這件象徵性T恤上的公式，必不離以下這個主軸：以合理的方法解析自然世界，並從唯物觀點尋找構成宇宙的那些基本磚塊。
介紹完古希臘時期之後，佛克跳過伊斯蘭世界與亞洲的科學成就，快速瀏覽大家耳熟能詳的哥白尼、克卜勒和伽利略的事蹟，然後在牛頓發現力學定律與萬有引力時，故事到達第一個高潮。克卜勒提出行星繞行太陽的軌道是橢圓形的，而牛頓發現的理論可以解釋這個現象。這被視為第一個成功的「萬有理論」，也漂亮地達到列德曼那件T恤上大部分的標準。接下來，哈雷的發現，總結了哥白尼革命時代的成就：他辨認出原來歷史上多次出現的明亮彗星，其實都是同一顆星體再現。如今這顆彗星已以他的大名命名。若是哈雷忽略木星的重力影響，只遵循牛頓力學與克卜勒定律（亦即只考慮太陽和彗星的交互作用），那這場在哈雷去世後數十年才應驗的彗星回歸時間，便不會如此驚人地準確。科學史上常將這個偉大成就，視為文藝復興轉換到啟蒙時代的分水嶺，因為它呈現出現代科學的可預測性。從此以後，人們從各種學問中確立了一套科學方法，而不再只是無法驗證的猜想。
爾後，人們再進一步透析大自然的基本力。這時，電和磁成為這時期的焦點。法拉第雖然出身貧困，但他提出的電磁場對物理學有相當大的貢獻。馬克士威方程組則進一步整合了法拉第與吉伯特、庫侖、富蘭克林、安培、厄司特等諸多科學家的貢獻。本書作者佛克為了避免數學公式，較無法詳述其中的向量與「場」的概念（「場」和「粒子」已成為近代物理的兩大支柱），若可以用更多的圖像來解說就更好了。電磁場理論催生了藉由力學運動產生的交流電，也奠定了現代文明的基礎。的確，當美國國家工程學院選出二十世紀最重要的創新成果時，獲選的是電氣化，而非大家熟知的電腦或是雷射技術。不過這裡還有個故事：馬克士威為了解決安培定律在不穩定狀態下無法滿足電荷守恆的情況，於是將「飄移電流」的概念引入了安培定律。這個決定性的修正，使我們得以描述電磁波如何在真空（或馬克士威假設的「以太」）中傳播。這裡所謂的真空，指的是沒有電場或磁場，或沒有任何電荷或電流的狀態，而這也導出一項理論物理學上的重大結論：所有的光都是電磁波。很巧的是，馬克士威這四條整合電、磁與光的方程式，也被許多認同書名概念的技客廣為印製，出現在許多大學校園販售的Ｔ恤上。
敘述完馬克士威的成就後，故事來到了狹義相對論。這部分仍然很精簡。在馬克士威的「光是電磁波」的概念底下，佛克簡述了以太作為電磁波介質的缺點。這個缺點在邁克生—莫立實驗上表露無遺。佛克提到，愛因斯坦這篇開創性的論文略過以太這個概念，直接從別的方法著手。愛因斯坦從一個自他十六歲就開始進行的思想實驗，推斷牛頓力學與馬克士威電磁方程組無法同時成立。基於天生的物理美感與科學勇氣，愛因斯坦認為馬克士威方程組美得無懈可擊，因此，需要修正的應當是一直以來被尊為神人的牛頓所提出的力學理論。在牛頓力學的架構之下，時間和空間是絕對的，如此一來，當觀測者追上光的速度後，會看到光是「定住」的波，而非隨時間變化的波。但根據馬克士威方程組，光在真空中也能傳播，但定住的波無法解釋這個現象。為了解決這個難題，需要一項大膽的假設：無論觀測者的速度有多快，被觀測到的光速永遠恆定（約每秒三十萬公里）。這項假設使得這些現象有了合理的解釋，有時候甚至簡單到可以利用高中程度的數學去理解，例如時間膨脹、長度收縮，甚至是愛因斯坦最有名的公式 E = mc2。（即便如此，佛克仍沒放任自己使用數學公式說明。）
要解說廣義相對論則較為困難，因為廣義相對論牽涉到黎曼幾何。所以到了這裡，作者藉由橡膠板等常見的方式說明這個概念。要解釋黑洞作為空間結構中心孔洞的樣子，圖說比起文字或數學讓人更容易理解，也更容易說明為什麼在黑洞中並沒有常人所理解的時空概念。佛克用「福至心靈」形容愛因斯坦看出等效原理的那一瞬間。就像在自由落體的情況下，人感覺不到自己的重量，愛因斯坦也假設觀測者無法在局部量測時，分辨出慣性力或引力。愛因斯坦在著名的電梯實驗中，透過等效原理進一步探討廣義相對論。在這個思考實驗中，觀測者將會看到光線在通過加速的電梯時，其行進路徑是彎曲的。觀測者會認為他處於一個重力場中（例如地球），進而推斷出光線可以被重力彎曲。這也可以連結到一個觀念：因為光有尋求最短路徑的特性，所以藉由光線的路徑，可以找出兩點之間最短的距離（或直觀上來說，所謂的「直線」距離）。因此，與其說是重力將平坦時空中的光線彎曲，不如說是重力將時空扭曲，而光線始終行走最短路徑上，所以會跟時空一起彎曲。
徐遐生
佛克這本解釋物理基礎定律的企圖之作，肇因於物理學家列德曼發人省思的一段話：「我希望能活著看到，所有的物理學簡化成一個優雅而簡單的公式，簡單到可以寫在一件T恤的正面。」在美國，方程式是科普書的票房毒藥，所以為了美國讀者，這本厚達兩百多頁的書，一條公式都沒列。中文讀者比較能接受數學公式，知道一些公式可能也比較容易理解這本書的主題。
本書以歷史的角度切入，從古希臘哲學家泰勒斯開始。他在解釋為什麼太陽會在大白天消失時，捨棄神話中諸神與惡龍的傳統說法，改以預測太陽、月球和地球的相對位置，來解釋日蝕現象的成因。此外，泰勒斯認為宇宙是由「水」構成的，不過很快又被其他哲人添上「火」「地」「風」三個構成宇宙的「元素」。因為亞里斯多德認為「自然厭惡真空」，所以在四元素之外，又提出第五元素。接下來，佛克轉而介紹古希臘唯物主義哲學家德謨克利特的「原子與虛空」概念。「元素」是種準化學概念，而建構世界的小磚塊─「原子」，則是與之相對的準物理學概念。這兩組探討宇宙組成的概念最後在量子理論的世界完成統合。而任何一個出現在這件象徵性T恤上的公式，必不離以下這個主軸：以合理的方法解析自然世界，並從唯物觀點尋找構成宇宙的那些基本磚塊。
介紹完古希臘時期之後，佛克跳過伊斯蘭世界與亞洲的科學成就，快速瀏覽大家耳熟能詳的哥白尼、克卜勒和伽利略的事蹟，然後在牛頓發現力學定律與萬有引力時，故事到達第一個高潮。克卜勒提出行星繞行太陽的軌道是橢圓形的，而牛頓發現的理論可以解釋這個現象。這被視為第一個成功的「萬有理論」，也漂亮地達到列德曼那件T恤上大部分的標準。接下來，哈雷的發現，總結了哥白尼革命時代的成就：他辨認出原來歷史上多次出現的明亮彗星，其實都是同一顆星體再現。如今這顆彗星已以他的大名命名。若是哈雷忽略木星的重力影響，只遵循牛頓力學與克卜勒定律（亦即只考慮太陽和彗星的交互作用），那這場在哈雷去世後數十年才應驗的彗星回歸時間，便不會如此驚人地準確。科學史上常將這個偉大成就，視為文藝復興轉換到啟蒙時代的分水嶺，因為它呈現出現代科學的可預測性。從此以後，人們從各種學問中確立了一套科學方法，而不再只是無法驗證的猜想。
爾後，人們再進一步透析大自然的基本力。這時，電和磁成為這時期的焦點。法拉第雖然出身貧困，但他提出的電磁場對物理學有相當大的貢獻。馬克士威方程組則進一步整合了法拉第與吉伯特、庫侖、富蘭克林、安培、厄司特等諸多科學家的貢獻。本書作者佛克為了避免數學公式，較無法詳述其中的向量與「場」的概念（「場」和「粒子」已成為近代物理的兩大支柱），若可以用更多的圖像來解說就更好了。電磁場理論催生了藉由力學運動產生的交流電，也奠定了現代文明的基礎。的確，當美國國家工程學院選出二十世紀最重要的創新成果時，獲選的是電氣化，而非大家熟知的電腦或是雷射技術。不過這裡還有個故事：馬克士威為了解決安培定律在不穩定狀態下無法滿足電荷守恆的情況，於是將「飄移電流」的概念引入了安培定律。這個決定性的修正，使我們得以描述電磁波如何在真空（或馬克士威假設的「以太」）中傳播。這裡所謂的真空，指的是沒有電場或磁場，或沒有任何電荷或電流的狀態，而這也導出一項理論物理學上的重大結論：所有的光都是電磁波。很巧的是，馬克士威這四條整合電、磁與光的方程式，也被許多認同書名概念的技客廣為印製，出現在許多大學校園販售的Ｔ恤上。
敘述完馬克士威的成就後，故事來到了狹義相對論。這部分仍然很精簡。在馬克士威的「光是電磁波」的概念底下，佛克簡述了以太作為電磁波介質的缺點。這個缺點在邁克生—莫立實驗上表露無遺。佛克提到，愛因斯坦這篇開創性的論文略過以太這個概念，直接從別的方法著手。愛因斯坦從一個自他十六歲就開始進行的思想實驗，推斷牛頓力學與馬克士威電磁方程組無法同時成立。基於天生的物理美感與科學勇氣，愛因斯坦認為馬克士威方程組美得無懈可擊，因此，需要修正的應當是一直以來被尊為神人的牛頓所提出的力學理論。在牛頓力學的架構之下，時間和空間是絕對的，如此一來，當觀測者追上光的速度後，會看到光是「定住」的波，而非隨時間變化的波。但根據馬克士威方程組，光在真空中也能傳播，但定住的波無法解釋這個現象。為了解決這個難題，需要一項大膽的假設：無論觀測者的速度有多快，被觀測到的光速永遠恆定（約每秒三十萬公里）。這項假設使得這些現象有了合理的解釋，有時候甚至簡單到可以利用高中程度的數學去理解，例如時間膨脹、長度收縮，甚至是愛因斯坦最有名的公式 E = mc2。（即便如此，佛克仍沒放任自己使用數學公式說明。）
要解說廣義相對論則較為困難，因為廣義相對論牽涉到黎曼幾何。所以到了這裡，作者藉由橡膠板等常見的方式說明這個概念。要解釋黑洞作為空間結構中心孔洞的樣子，圖說比起文字或數學讓人更容易理解，也更容易說明為什麼在黑洞中並沒有常人所理解的時空概念。佛克用「福至心靈」形容愛因斯坦看出等效原理的那一瞬間。就像在自由落體的情況下，人感覺不到自己的重量，愛因斯坦也假設觀測者無法在局部量測時，分辨出慣性力或引力。愛因斯坦在著名的電梯實驗中，透過等效原理進一步探討廣義相對論。在這個思考實驗中，觀測者將會看到光線在通過加速的電梯時，其行進路徑是彎曲的。觀測者會認為他處於一個重力場中（例如地球），進而推斷出光線可以被重力彎曲。這也可以連結到一個觀念：因為光有尋求最短路徑的特性，所以藉由光線的路徑，可以找出兩點之間最短的距離（或直觀上來說，所謂的「直線」距離）。因此，與其說是重力將平坦時空中的光線彎曲，不如說是重力將時空扭曲，而光線始終行走最短路徑上，所以會跟時空一起彎曲。
