Starrix 星匯點 – 星空的思索﹣宇宙的起源 ( 一 )

星空的思索﹣宇宙的起源 ( 一 )

6 月 12, 2015 Einstein 天文資料庫, 專題文章在〈星空的思索﹣宇宙的起源 ( 一 )〉中留言功能已關閉

宇宙的起源 ( 一 )

偶爾仰望繁星，想必天上星星於我們心中幻想都有著一個個奇妙美麗的故事。

著名的尼古拉．哥白尼(Nicolaus Copernicus) ﹑伽里略．伽里萊(Galileo Galilei) ﹑約翰內斯．開普勒(Johannes Kelper) ﹑艾薩克．牛頓(Sir Issac Newton)及阿爾伯特．愛因斯坦(Albert Einstein)等等……他們雖生於不同時代，有著不一樣的信仰，背負著各自的故事與夢想。雖然如此，但他們都有著同一樣的熱枕，活在同一天空下；抬頭凝視星空，思索著世界的美麗，為科學發展付出了一生的努力與時間。

——淺談科學發展史——

在研究宇宙的起源之前，我們必須首先知道它的運行方式。這問題早已出現於公元前 340 年古希臘大哲學家阿里士多德(Aristotle)的時期，甚至更早的時代。當時，哲學家們在大學裡頭經常圍坐一起，談論有關世界如何運作等相關的哲學問題。但他們只是純粹的討論著，並沒有著手去做做實驗﹑測量數據及定量分析；因為阿里士多德與他的追隨者都認為世上一切運行定則皆可透過人類的腦袋，只憑日常經驗與直覺推導出來，沒有必要去驗證它們。

直到公元 17 世紀，近代科學之父伽里略提出物理定律必須通過實驗驗證，方能清楚萬物演化的過程。這言論激怒了當時支持阿里士多德學派的教授們。然而，伽里略的觀測及實驗最終令阿里士多德學說倒下。其中一個較著名的例子是，阿里士多德認為較重的物體比較輕的落下得更快。伽里略為此而做了一個家傳戶曉的實驗，雖然這不可能的實驗從沒被做過：他把兩個一樣大小的木球及鐵球從比薩斜塔上自由落下(free fall)，並發現兩個球同時著地。這實驗從未被進行過，因為要觀測如此快速的運動於當時技術實在太困難。取而代之，伽里略做了一個類似的實驗，把球從斜坡上向下滾，因為加速度(acceleration)小得多，所以比較容易觀察。實驗結果顯示，不論球的重量大小，它們同時到達斜坡底部。伽里略對於求真的精神正正是現代科學成就的基礎。雖然伽里略因公開支持哥白尼提出的日心說(Heliocentrism)而被送到宗教法庭，最後被軟禁至死，但他對於近代科學發展的貢獻實在功不可沒。

公元1642年，隨著近代科學之父隕歿，另一顆物理學界超新星——牛頓——於同年誕生。當時天文學家及數學家開普勒掌握了丹麥天文學家兼占星術士第谷．布拉赫(Tycho Brahe)豐碩的天文觀測數據，並寫下了著名的開普勒行星運動三定律(Kelper’s Laws)。他在布拉格編制的星表上的資料比當時任何人所作的都更為準確。現代科學史家們都認為開普勒當時距離發現萬有引力定律(Law of Universal Gravity)僅一步之遙；可惜因為他仍不肯摒棄舊有的天體貴賤觀，認為天上的物體都比地上的要完美，故此他就錯過了寫下牛頓運動定律(Newton’s Laws of Motion)和萬有引力定律，以及作為古典物理學(Classical Physics)的奠基人的機會。

相傳牛頓被樹上掉下來的蘋果打中頭頂，靈機一觸而想出了萬有引力定律。當然，要向小學學生講解牛頓如何把月球在天空的軌跡﹑物體在空氣中的拋物線行徑以及蘋果向地心掉落的原因串聯在一起，是有十分的難度。牛頓綜合了伽里略及開普勒等人的研究數據，加上他過人的想象力，成就了往後兩百多年的物理學發展。除了運動學(Kinematics)及力學(Mechanics)之外，其實牛頓於許多範疇也有相當的貢獻。例如光學(Optics)及聲學(Acoustics)等等；他也發明了方便觀測的牛頓式望遠鏡(Newtonian Telescope)，更是現代科學不可缺少的數學工具——微積分(Calculus)——的其中一位發明者。

繼後的電磁學(Electromagnetism)統一者詹姆士．克拉克．馬克士威(James Clerks Maxwell)，他的馬克士威方程組(Maxwell’s Equations)導致了一個令世界震驚的結論：光速恆定(Constancy of the Speed of Light)。這與牛頓的古典物理世界體系相矛盾，顯然牛頓及馬克士威其中之一或兩者都是錯的。當時許多人傾向認為馬克士威的方程式有問題，因為牛頓理論畢竟已建立了兩百多年。但精確度極高的邁克耳遜—莫雷實驗(Michelson-Morley Experiment)證明無論在何時何地，用甚麼方法測量，光速仍舊不變。後來亨得里克．洛倫茲(Hendrik Antoon Lorentz)於1904年提出以太(ether)收縮理論，看似解決了這個困擾一時的問題。

與此同時，一個在瑞士專利局當二級專員的年輕人，每天都在沉思一個問題：「當我們快到追得上光後，究竟會看到怎麼樣的景象呢？」他終於在1905年，一個被後世稱為「奇蹟年」的年份，發表了四篇劃時代的論文，其中一篇論文《關於運動物體的電動力學》(On the Electrodynamics of Moving Bodies)，即後來家喻戶曉的「狹義相對論」(The Special Theory of Relativity)，真正徹底解決了牛頓力學與馬克士威電磁學的不相容性。這個年輕人就是生於德國的猶太人阿爾伯特．愛因斯坦。愛因斯坦更於1916年發表了「廣義相對論」(The General Theory of Relativity)，以時空連續體(Space-time Continuum)的概念解釋了牛頓萬有引力定律無法解釋的問題。

現在，隨著量子力學(Quantum Mechanics)的發展，人類發現，隨著知識愈積愈多，問題也愈來愈多。亦有些人認為科學破壞了自然的美。但我們不應該氣餒，而要本著欣賞的心，去看待大自然揭露給人類的奧祕，並高興科學帶給人類比表面美感更多 ﹑意義更深的美麗；正如1965年諾貝爾物理學獎得主理查．費曼(Richard Philip Feynman)所說：「笛卡兒之所以研究彩虹的顏色，不是因為他想了解光線與水點互動的機制；只是純粹的，覺得彩虹很美。」

( 下回再續 )

本文曾刊於2007年11月會訊中。

作者：星匯點余海