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天才的世紀之迷思

--作者:Gene <geneng15@yahoo.com.tw>


目次


前言

或許許多人會認為相對於十九世紀所謂的人才的世紀,十七世紀和二十世紀 是所謂之天才的世紀。可是,對於這樣的說法,我恐怕要提出不同的意見。就人 文、社會、政治、經濟等方面本人才疏學淺,恐怕不能提出什麼創見。不過,就 科學方面,我想惜助孔恩的觀點提出一些淺見。

愛因斯坦(Albert Einstein)不啻是二十世紀最偉大的天才!而牛頓(Isaac Newton)和伽利略(Galileo Galilei)則是站在十七世紀的兩位巨人。他們開創了 科學的新世紀!他們在他們的時代裡帶領眾人看到一個空前的新視野!究竟是 時勢造英雄,還是英雄造時勢。有時候真不太好說得清。不過對於愛因斯坦、伽 利略和牛頓來說,不是他們憑空地「異軍突起」的,而是當時的時勢給了他們機 會,而他們更憑他們非凡的創造力創造出他們的時代。
Galileo Galilei Isaac Newton Albert Einstein

在其他的時代裡并非沒人像這幾位天才大師般有著非凡的創造力,而是因為 那些「人才」生不逄時。所謂亂世出英雄,自古皆然。天才大師生處的是一個科 學革命的亂世,而他們的追隨者生處的是累積、修正前人知識的太平盛世。所以, 所謂的天才的世紀只不過是種錯覺。

所謂「天才的世紀」給人一種感覺像是某個世紀突然間有極特出的人物「隨 機」式地出現,而且天才則憑一己之力開始了一個屬於他的時代。我試圖想說明 的是,無所謂的「天才的世紀」、「人才的世紀」之分,這樣的分法可能會讓我們 看不到當時真正造成當時環境的歷史因素,而被一些偏見蒙蔽了。

在我以愛因斯坦在本世紀初造成的轟轟烈烈的革命為例子之前,容許我花費 一些不少的篇幅說明孔恩的觀點以試圖把論點說得更清楚些。接下來,我會談到 愛因斯坦的革命及其影響,然後討論為何愛因斯坦的時代會出現這般偉大的天才 大師。

科學革命的結構 (The Structure of Scientific Revolutions)

孔恩是哈佛大學的物理學博士。他在其經典著作《科學革命的結構》(The Structure of Scientific Revolution)提出了典範(Paradigm)、常態科學(Normal Science)和不可共量性(incommensurability)等觀念。此書問世已超過三十年 了,雖然其中學說備受挑戰,但其魅力仍只能用方興未艾來形容。而看看他是怎 麼說的吧!

自孔恩以降,科學哲學家傾向與科學史、科學社會學結合,不再提供「理性 方法」的軌範,而是在描述「真實科學」是如何運作的,提供一個描述性的圖像, 雖然科學家們本身並不一定知道,或喜歡這個圖像。也就是說孔恩拋棄了維也納 學圈(Vienna Circle)和波普(Popper)重視的「邏輯性」,轉而重視「歷史性」 的研究。孔恩的結論是建立在探尋革命家當時身處的時代裡,他的觀點與其團體 人們的觀點間的互動關係,而非以今天常態科學界對革命家的典範的看法來評斷 科學革命家的事業。
The Structure of Scientific Revolutions
他指出在科學的發展中,往往是歷經如此的過程的:前典範時期 → 常態科 學 → 危機 → 科學革命 → 常態科學 → 危機 → 科學革命……所以說在孔 恩的「典範」之下,科學活動并非就我們以往一般認為的是不斷地修正前人的知 識而不停地向前進步的,而是有著天翻地覆的革命的。而看看他是怎麼說的吧!

對於「典範」(paradigms)這名詞,孔恩定義過兩次,第一次在書中第一章, 即典範的原始意義。亞里士多德(Aristotle)的《物理學》(Physica)、托勒密 (Ptolemy)的《天文學》(Almagest)、牛頓的《原理》(Principia) 及《光學》(Opticks)、富蘭克林(Franklin)的《電學》(Electricity) 、拉瓦鍚(Lavoisier)的《化學》(Chemistry)以及萊爾(Lyell)的《地質學》 (Geology)等著作擁有 兩大特徵──第一、作者的成就實屬空前,並吸收競爭學派中的忠誠歸附者,第 二、著作中仍留有許多問題能讓這一群研究者來研究解決發展[1] 。擁有這兩個特徵的科學成就稱之為「典範」。孔恩後來為了解決「典範」 的定義曖昧的問題, 他在第二版的後記中再做了一次更精確的定義──作為一個「群體承諾型態」 (the constellation of group commitments)的典範是一組有序的「學科結構」 (disciplinary matrix):一、符號式的通則,如公式、定律等;二、形而上學式的 信念與模型圖像,如原子論、機械論式的最高原則;三、共享的價值和美學取向, 如「精確預測」、「和諧」、「簡潔」、「太陽中心」、「天上完美的圓形」等;四、共 享的具體例子,或「範例」(exemplar),如何從「範例」發展成具有「家族類似 性」(family resemblance)的新例子[2]

在一門科學中學派林立,方法論辯論激烈,每個學派各有其長處而無法互相 取代的時期稱為「前典範時期」(pre-paradigmatic)。「典範」科學後來在一些天 才大師的指導之下建立,不同的學科往往有不同的「進入典範門檻」的時期。在 前典範時期,涉及了沒有理論指導的「歸納法」,如Pliny的《百科全書》和培 根(Bacon)關於熱、色、風、礦等的自然史中的觀察資料往往只是部份的,不 合後來的理論的要求,往往是條件沒說清楚,今天我們無法重覆當時的觀察。而 且各學派之間存在著極大的方法論的差異,互相難以溝通。例如十七時紀的光 學,在牛頓之間學派林立,各說各話難以分辯其中勝敗優劣,當牛頓的《光學》 出版後,其他學派開始沒落,不跟隨牛頓的典範者被其他學者遺忘在孤獨的角落 中[3]。進入典範時期後可以明顯觀察到的現 像是協立一致的學刊、學會的成立, 科學家們努力地探討更具體而內行的問題,他們逐漸地把研究成果用論文形式發 表給同行參考,而不再寫給一般知識階層看的書[4]

在典範指導下的「常態科學」(Normal Science)所做的收集事實的活動的研 究方向有:第一、下工夫把事實定得更精確,以及了解在各種變化下這些事實的 變化情形,如各種物理常數等;第二、量化定律的形成,即尋找自然和理論之間 的數學關係式;第三、向潛在的新領域做探討,例如接受牛頓典範後,繼續完成 牛頓未完成的月球軌道等問題,而另外許多新領域也「應該」可以以類似的方法 來探討。還有為了解決問題的新數學之發展、為了美感、清晰量化而進行大量的 公式重組與重設(reformulation)之工作。若非典範之支持與承諾,則深入、專 注而集中的研究不可能做成。這三類問題──決定重要事實、使理論與事實相吻 合和精煉期範──己涵蓋了常態科學中理論與實驗工作所欲解答的所有問題 [5]

常態科學的活動在孔恩看來是一種「解謎的活動」(puzzle-solving),就像拼 圖、詰棋、猜字和謎語等遊戲一般。當科學社群接受了一個典範之後,它也同時 接受了一個判準,并以之來選擇研究的問題,那就是:在典範的保證下,它們必 然有答案。大致而言,只有這種問題社學社群才會承認是科學的問題,才會鼓勵 其成員來研究。這使得科學家能夠專心致志,這也就是為何常態科學能夠進展神 速[6]

不過,確定了共有的典範後,並不等於確定了大家都接受的的「規則」(任 何人都可以按照一條一條條例,按部就班去做就可做出來的)。因為,典範具有 最大的「優先性」(priority)。許多偉大的科學家如牛頓、拉瓦鍚、馬克斯威爾、 愛因斯坦等,雖然解決了重大而困難的問題,但究竟是透過何種「抽像的特性、 規則」去解決那些難題,連他們自己也搞不清楚。也就是說科學家們可以同意典 範是那一個,但不一定能完整地詮釋之,或使這個典範合理化的方式有相同看 法。典範沒有標準詮釋,或不能從中找出大家都同意的研究規則,但這并不使典 範不能演指引研究工作的角色[7]

如果,「解謎活動」並不想解決「沒有預期」的問題、並不想大肆創新,為 什麼科學家仍然不斷地有新的「未預期」的重要發現?今人驚訝的「科學新發現」 如何可能?「常態科學」是保守的科學思想,還是對「促進」改變典範的創新也 特別有功能?孔恩本身在書中解答了「常態科學」是保守還是「促進」改變的問 題。常態科學愈發展,對自然的「預期」就愈清楚和全面、對現象的「預測」也 就愈精密,如也就愈容易發覺「異例」、或理論與自然的「不合」之處。「創新」, 通常是被那些很「精準」的知道自己「預期」的是什麼的人所發現──但要能「精 準預期」,卻預設了常態科學的存在。反之,沒有典範的預期下,對自己要什麼 並不清楚,何謂正常、何謂異例的區別也不明,故很難發現什麼「新事物」。「異 例」只有在「典範背景」前才會顯現[8]

發現新現象的過程中,察覺到異常之存在是重要的環節,那麼所有可被接受 的理論上的變動,就更是以一相似、但更深沉的對於異常現象的察覺為先決條 件。不過在許許多多的異例不斷地湧現,而典範中大部分的科學家并沒有辦法解 決那些早就「應該」解決的異常現象,導致其中許多人一一逐漸地對該典範的指 導能力產生某種信心危機,但卻沒有一定的規律說「此時應該怎樣」。孔恩對於 巴普的「否證論」的懷疑在於他認為只有在其他競爭理論出現時,科學家才會拋 棄陷在危機中的舊典範。導致舊典範危機的「長期異常現象」,其真正的功能, 不在「否證」舊典範,而在「促發/誘發」可以很容易解答那些長期異常現象的 另類新典範。如果單純因為危機就可以「否證」典範,那就等於拋棄了科學本身, 沒有「沒有典範導引」的科學研究。反而言之,所有的理論在所有的時間內都需 面對反例。如果沒有新典範出現,遭遇困難的科學家可以「拖」,或先忙著去解 決其他可以解決的異常現象。如傳統天文學中的「水星軌道」問題,從托勒密、 哥白尼天文典範以來,就是先機會主義式的嘗試來解看看,不行時再放進抽屜 中,先忙其他更有希望的問題。但若其他問題都已解決,無可逃避的「飽和現象」 旳產生,互相矛盾的特設小理論層出不窮,科學家逐漸開始懷疑原典範的「指導 能力」。例如牛頓行星天文學的高峰和谷底,從天王星軌道的「異常現象」(不考 慮是否萬有引力會遭否證),物理學家逆推出理論上「海天星」的存在,然後指 導天文學家的望遠鏡該朝向何方──這是牛頓天文學的高峰 [9] 。但是,後來進行 同樣的「範例」策略時,從「水星軌道」的異常現象,逆算推出理論上各種新的 「內行星」的可能到Volcan、小行星群、星際灰塵、太陽質量不平均分佈等假設。 不斷失敗後的「水星問題」的危機使牛頓天文學從高峰降到谷底 [10]

典範轉移的過程像是視覺上的「Gestalt shift」。雖然仍然在處理同一堆數據 資料,但是在一個新的架構裡,把它們的相關位置重新安排。在危機之下的科學 家進行的是「非常態的研究」(Extraordinary research)以尋找究竟問題出在那裡, 把過去常態科學的規則推到極端,刻意地放大危機問題的所在。這個時候,科學 家的行為倒很像一般流行的「科學家」形象:在進行「否證」的傾向,(「範例」 的指導性消失後)開始對各種科學「方法論」有興趣,對科學哲學等充滿好奇, 全面心胸開闊等。并且科學家會進行玄想式的「思想實驗」(thought experiments) ──用純思想來建構一些不太可能做到的「思想實驗」,以製造舊有典範的矛盾、 或說明新典範的可能性。如伽利略的「一大一小自由落體連在一起」,或海森堡 對測不準原理所說的「用光子碰撞電子來看電子在那裡」等的思想實驗。科學家 開始接觸哲學,新典範的出現往往伴隨著科學哲學分析的活躍。對舊典範的「潛 在預設」進行哲學分析,有助於對該典範「產生距離」與懷疑,進而進行典範轉 移。伴隨著牛頓與愛因斯坦、量子力學等科學革命,17世紀與20世紀都是科學 哲學分析活躍的時代[11]
Gestalt shift: 是少婦?還是老婦人?

孔恩試圖用政治革命與科學革命的類比來說明科學革命的本質。當政治磋商 失敗時,就訴諸大眾遊說,也包括了強制力。在科學革命時,各互相競爭的學派 都為自己的典範辯護,典範之間的辯論必然是循環和丐題的。彼此競爭的典範間 的「選擇」,無法整個被邏輯與實驗來證明。而一般人所認為的科學發展的理想 的累積式模式是有問題的。累積性的大創新不太可能發生,因為意想不到的大創 新必然與舊典範相衡突,只有常態科學才會有「累積」。新典範的出現,「必然」 蘊含了對舊典範的否定,就像愛因斯坦相對論與牛頓力學的關係[12]

「不可共量性」(Incommensurability)是孔恩提出的另一具「革命性」的重 要概念。如何在競爭中的典範間作選擇,必然會引發不能由常態科學判準來解決 的問題。而兩個典範之間,沒有一個共同的「標準」可以來共同度量,而造成撰 擇典範的辯論在邏輯上雙方各說各話。就如古希臘關於數學的「不可共量性」之 發現──等邊直三角形的弦與邊彼此不可共量,導致了無理數的發現與畢達哥拉 斯「數字」學派的危機。除了彼此溝通困難之外,舊典範無法「化約」成新典範 的「特例」(special case),新典範也常拋棄舊典範的問題與「成果」,如燃素說 很強調金屬彼此的類似性,並企圖解釋之,拉瓦鍚的新化學就放棄了讓企圖。科 學革命還包含了「標準」,「允許的問題領域、觀念、解釋方法」等等的改變 [13]

科學革命之後,科學家研究的世界在各處看來都將與他們以前居住的世界彼 此不可共量(incommensurable),所以說革命是世界觀(world view)的改變。 科學革命涉及了視覺、知覺,及至「世界」的改變,革命之後,科學家是在不同 的世界中工作!就實在論的觀點而言,「獨立於人的世界」並不會因為科學革命 而改變,但是「人所生活」和「人所工作」的世界──包括「人與世界」的互融 與互相建構的確改變了。一方面,這不是一個極端的主觀唯心論,但另一方面, 這也不只是單純地說「革命後,人對世界的認識改變了」而已。科學家在革命之 後,是對一個「不同的世界」在做反應,做深入的分析探討。不只是被動而主觀 的「認識」改變了,而是「做科學」(doing science)的對象世界改變了 [14]

愛因斯坦革命 (Einstein's Revolution)

現在大多數物理學家們還是認為愛因斯坦的相對論(relative theory)是在修 正牛頓的力學,使牛頓的力學適用於描述低速的運動的範圍,或者說牛頓力學所 描述的世界是愛因斯坦相對論所描述的世界中的一個「特例」(special case)。可 是,對於孔恩來說愛因斯坦的相對論不啻是對牛頓力學一次徹徹底底的革命!他 的觀點看來,這兩個理論根本不能相容,其關係正如哥白尼天文學和托勒密天文 學一樣,他主張:只有在認識牛頓理論是錯的之後,才能接受愛因斯坦的理論 [15]

反對他這說法的意見要旨大略如下:相對論動力學不能證明牛頓動力學是錯 的,因為牛頓動力學仍被絕大多數的工程師成功地應用著;許多物理學家在某些 情況中也會使用它。還有,使用舊理論的適當性可以從在其他的應用上取代它的 新理論得到證明。愛因斯坦的理論可以證明,在某些條件的限制下,牛頓公式的 計測值與儀器測量的結果頗為一致。在比光速小得多的限制條件下,牛頓理論可 從愛因斯坦理論導出,因之可以說前者是後者的一個特例。反對觀點繼續指出, 任一理論與其本身的特例是不可能衝突的。但如此一來,許多舊理論都可以獲 救。在每個理論精心設計的「範圍」中,都可以有真理的「身份」。況且,牛頓 自己從來就不認為他的理論是有「適用範圍」的。除此之外,如果說我們可以任 意設定一個理論的「適用範圍」的話,那麼幾乎所有舊的、被拋棄了的理論都能 在其所一定的「適用範圍」內成為真理而起死回生了。而牛頓動力學真的能從愛 因斯坦的相對論動力學導衍出來嗎?愛因斯坦理論的時間、空間、質量等觀念是 牛頓的觀念大相徑異,相對論更是否定了牛頓力學的絕對時空的觀念。因為這兩 套理論的差異并不僅是形式的,光在愛因斯坦的理論上加上一些限制條件並不能 導出牛頓定律,除非我們將愛因斯坦理論所描繪的宇宙體系的構成要素也同時改 動。所以就牛頓力學轉變為愛因斯坦力學這一事件,特別清晰地顯示出:科學革 命其實就是科學家用以觀察世界的「觀念網路」(conceptual network)予以更新 [16]

到這裡,我們不禁要問:本世紀初究竟發生了什麼驚天動地的大事而導致科 學大師們掀開一連串翻天覆地的革命序幕?本世紀初出湧現了許許多多的物理 學大師,如普朗克(Max Karl Planck, 1858-1947)、海森堡(Werner Karl Heisenberg, 1901-1976)、玻耳(Niels Bohr, 1885-1962)、包利(Wolfgang Pauli, 1900-1958)、 波義爾(Louis Broglie, 1892-1987)、舒汀格(Erwin Schrodinger, 1887-1961)等。 本世紀初至二次大戰前,不啻是物理學的黃金年代!他們和愛因斯坦一同共創量 子力學的巨大革命。是什麼時代條件使得本世紀成為科學的「天才世紀」?我們 且去看看愛因斯坦的那個時代吧。

Planck Bohr Schrodinger
Broglie Pauli Heisenberg

年輕的愛因斯坦在蘇黎世技術學院(Eidgenossische Technische Hochschule in Zurich)求學。他那時讀過奧地利物理學家馬赫(Ernst Mach, 1838-1916)的〈力 學〉(Science of Mechanics)。該文批評絕對空間與絕對運動的觀念,並建議牛頓 定律應該重新檢討與改寫。愛因斯坦很喜歡這種嚴肅的態度。馬赫可能影響了愛 因斯坦去思考「可觀察的現象,共開始非常懷疑絕對時間與絕對空間的觀念。 [17]

1900年普朗克向柏林物理學會提報了驚人的發現,從而開啟了現代物理的 時代。他告訴學會的人,新理論之所以今人不安,是因為它粉碎了以往我們認為 「宇宙基本上是諧和的」錯覺。他說光、熱及其他形式的輻射不是穩定、連續的 能量,而是以一小段、一小段的方式釋出──他稱之為「量子」(quantum)。而 且,他還說,許多早先有關物質、能量、因果的概念是錯誤的,我們其實是活在 不確定、更今人不安的宇宙裡。他的演講奠定了他「原子物理及粒子物理之父」 的地位,也掀起了物理觀點的革命。幾個月後愛因斯坦首次讀到普朗克的文章, 量子論今他非常不安。終其一生,愛因斯坦對量子論帶有偏見,總認為需要努力 擴充它,才能應用到宇宙所有的輻射能量,包括電磁波、加瑪射線、X光等 [18]

孔恩曾說過常態科學家是不太會對哲學產生與趣的,可是在愛因斯坦那個年 代是乎不是這回事。1902年,他曾和朋反們專注地研究米爾出版於1884年的《邏 輯系統》(Systems of Logic)一書中的歸納證明。米爾認為自然是一致可預知的, 所以孤立事件會在同樣的情形下重覆發生。與朋反討論時,愛因斯坦卻刻意強調 他不同的看法:「物理上的基本概念無法由歸納法得知。由於這點誤解不能破除, 造成了十九世紀許多研究者犯了哲學上的錯誤。 [19]」 可是漸漸地,愛因斯坦覺得 哲學只是個誘人的幻覺。不過他還是推崇英國哲學家休姆,尤其喜歡他直接而嚴 肅的論文。休姆堅信科學研究只有兩樣合法的工具:數學與經驗。他也警告說, 絕對真理是無法驗證的,人類所有的構想與印象都是主觀的 [20]

法國數學家龐加萊(Henri Poincare, 1854-1912)在1902年的《科學與假說》 (La Science et L'hypothese)一書中與道:「絕對時間不存在。說兩段時間相等, 只是一句沒有意義的斷言,它的意義只是積習賦與的……我們不但無法依賴直覺 去判斷兩段時間是否相等,甚至連不同地方發生的兩件事是否是同時 (simultaneous),也無法依賴直覺判斷。」此一觀念隱約預示了愛因斯坦後來提 出的時空假說[21]

1904年,愛因斯坦常和友人討論光的現象。當時大家確知的是,光在真空 中以每秒近三十萬公里的速度運動。愛因斯坦的問題是:如果有人以同樣的速度 與光一起運動,這時光看起來是靜止的嗎?他覺得,直覺上光是似看起來會像是 靜止的,不過他不相信如此。愛因斯坦後來又想到個問題:某觀察者看來是同時 發生的事,對在不同位置的另一個觀者而言,也會是同時的嗎?大家好像都覺得 會。但這並不表示大家的想法一定正確。愛因斯坦的想法質疑了被科學界接受了 兩百多年的牛頓說法。但就算在當時,牛頓的說法已不無疑問了。比如說,牛頓 認為光是粒子流,然而最近的實驗發現光有神奇的雙重特性──光是粒子,也像 是波。法拉第和馬克斯威已經指出,牛頓的想法無法解釋電磁現象 [22] 。由此可見, 當時牛頓的典範已經被許多的「異例」所挑戰而陷入危機當中了,而取而代之的 典範的出現只不過是時間的問題。

1905年愛因斯坦發現了「同時性」(simultaneity)的概念,與時間、空間的 測量有密不可分的關係。用愛因期坦自己的話說:「我們已知,時間和空間的概 念及其背後的物理原理,只有在經驗所及的範圍內,才是正確的。不同的經驗, 可能有不同的時空概念及原理,我把『同時性』修正成較有彈性的新定義,於是 就誕生了狹義相對論(special theory of relativity)。烏克蘭裔美國物理學家加莫夫 (George Gamow, 1904-1968)寫道: [23]

愛因斯坦也許是第一位察覺到:不論我們多麼肯定自然定律的正 確,那也只是在我們能觀察的範圍內如此;超越了這範圍,一切都是 問號……我們對時間、空間及運動的看法,幾個世紀以來一直固定不 變,直到科學的發展,有一天將科學家由舊觀念中解放出來。然後我 們會面對一個嚴重的矛盾。

1905年6月,愛因斯坦把相對論的論文寄給《物理學報》,這已是同年的第 四篇了。同年的第一篇論文是他自稱「具有革命性」、談光電應的文章。篇文章 果真具有革命性,因為它粉碎了兩百年來經過實驗證明的「光是波」的看法。普 朗克最先找出這種看法的瑕疵,因為他認為物質只能以粒子或量子的形式,吸收 或釋放光波。愛因斯坦進一步認為,光是以粒子狀態行進。他授用普朗克的「光 的量子論」,幫助建立量子力學(quantum mechanics)。愛因斯坦所以獲諾貝爾物 理獎,就是因為發現光電效應,而非相對論[24]

愛因斯坦的第四篇論文〈運動物體的電動力學〉,也就是相對論那篇文章, 最驚世駭俗,因為它向兩百年以來被視為真理的牛頓宇宙觀挑戰。牛頓認為宇宙 是固定不變的,裡面充滿了以太,群星遊走其間;星球的絕對運動可以相對於以 太測出。牛頓也認為時間也是絕對的,由遠古流向無窮的未來。在愛因斯坦的宇 宙裡,天體間只有相對運動,並沒有上帝創造的絕對宇宙。愛因斯坦說:一個人 在宇宙中的相對位置,主宰了他的觀點。牛頓所擁有的是一種先入為主的空間觀 念。愛因斯坦粉碎了牛頓絕對空間的看法,繼之還要粉碎絕對時間的觀念。時間 的觀念其實是以同時性為基礎的。如果沒有參考系統,「現在」這個觀念就沒有 意義。因斯坦下了一個結論:每個人對「現在」的認定都是主觀的,這種認定並 不普遍適用於全宇宙。每個參考物體(或參考座標系統)都有自己的主觀認定時 間。

愛因斯坦對光速的獨到 見解更認為:不論光源或觀察者如何運動,光永遠 都是以每秒186,000英里的速度前進。這就與邏輯和一般常識衝突了。牛頓認為 觀察者是迎向光源運動,那會比遠離光源者,早點接觸到光波。牛頓的看法不是 比較合理嗎?愛因斯坦要如何抵銷光源及觀察者的速度呢?他轉向菲次吉拉與 勞倫茨的論文求助。愛爾蘭物理學家菲次吉拉曾經想過一個辦法來解釋邁克生的 實驗結果。邁克生(Albert A. Michaelson, 1852-1931)曾多次實驗,可是就是找 不出地球與以太之間有任何相對運動。菲次吉拉認為這是因為萬克生的實驗裝置 會沿運動方向收縮,所以測出有些扭曲數據。他還導出一個公式,說明速度愈快, 收縮程度愈大。這個現像稱後來稱作「菲次吉拉收縮」(Fitzgerald contraction)。 荷蘭物理學家勞倫茨認為:帶電的粒子如果高速運動,會增加質量。愛因斯坦便 把這所謂的「勞倫茨變換」(Lorentz transformation)推廣至一切物體,包括量尺 及時鐘。他的結論是,任何物體只要是以高速運動,其質量皆會變大,長度會收 縮,而時間變慢[25]

1905年9月26日《物理學報》刊出愛因斯坦的相對論,可是當初并沒引起 多大的迴響。大家對他革命性的理論似乎一點興趣都沒有。可是愛因斯坦還是希 望把相對論應用得更廣,更具驚人的效果。當時的科學家認為質量和能量是無法 互相轉換的。但愛因斯坦聽說新的實驗結果證明了高速運動的電子,能量會增 加,便把早先的電磁方程式與光速結合,然後發現:當物體以光的形式釋放能量 後,質量就會減少。接著愛因斯坦導出了一個破天荒的結論,就是能量也有質量。 1905年11月份的《物理學報》刊出愛因斯坦的短文〈物體的慣性與其所含能量 有關嗎?〉。兩年之後,愛因斯坦導出了另一個石破天驚的結論E = mc2:質量與 能量根本就是同一樣東西的一體兩面,密不可分──當物質趨近光速時就變成了 能量,能量減速了以後就變成了物質[26]

1906年以後,科學界對愛因斯坦相對論的興趣日增,而那時候愛因斯坦還 不過是瑞士專利局的技士。許多科學家開始推薦愛因斯坦到名校日內瓦大學擔任 教職、并參加國際會議演說。好幾位著名的物理學家認為愛因斯坦為「最重要的 理論物理學家之一」而對他推崇備致。1910年、1912年、1913年和1914年愛 因斯坦四度受人推薦角逐諾貝爾物理獎,可惜當時的評審委員似乎都因為看不懂 相對論而讓他落選了。1913年,愛因斯坦獲選為聲名卓越的普魯士皇家科學院 院士[27]

1915年愛因斯坦繼續經過多年密集、努力的自尋煩惱地工作,導出了對宇 宙革命性的看法──「廣義相對論」(general theory of relativity)。這是來自於狹 義相對論的推廣,即是在狹義相對論中加入重力定律。愛因斯坦的結論是:重力 并非一般認為的是空間的吸引力,而是宇宙幾何形狀的表現。空間是彎曲的,或 由於有物質存而撓曲,而物體則在空間中依循空間的幾何形狀,沿最短的路徑運 動。愛因斯坦的廣義相對論解釋了宇宙的起源與終點,預測光經過質量大的物體 會有泛紅現象;靠近重物的鐘,時間也會變慢;同時解釋了水星的歲差現象,經 而證明重力波(gravity wave)和黑洞(black hole)的存在 [28]。 愛因斯坦曾經在1911年認定,行經太陽的星光會略為朝向太陽偏去。原因 是太陽巨大的質量使周圍的空間彎曲,而星光則依循彎曲的空間行進。因為平常 陽光太亮了所以不易觀測到。不過等到日全食的時候就可觀察了。可是這要等到 1919年英國天文學家愛丁頓才在西非的普林西貝(Principe)島觀察到愛因斯坦 所預測的現象而證明了相對論的正確[29] 。 其實,這個「關鍵實驗」其實一點也不 關鍵,因為早在這觀察以前物理學界已漸漸接受了愛因斯坦相對論的典範,并且 許許多多的物理學大師如普朗克、玻耳、馮勞克等人對愛因斯坦更是讚譽有加。 諾貝爾獎評審會甚至還認為愛因斯坦受到過高的評價而故不讓他獲獎 [30]。日全食 的觀察對愛因斯坦的相對論的證明,只不過是錦上添花,使他一夜之間成為舉世 矚目的偉人。

天才 vs. 人才

革命性的發展在一個世紀裡大概只發生一、兩次,甚至是幾個世紀才發生那 麼一次。所以如此來看,天才級的天師是不常出現的,從歷史的角度來看,諾貝 爾獎得主與頂尖科學家充其量也不過是「科學界裡的砌磚工人,而非建築師」。 就因為這樣,天才大師的光芒才會相對地極度耀眼。雖然在巨觀的歷史發展上看 來,天才大師的革命就像是晴天霹靂式的無中生有,所有理論都像是由科學大師 一手建立的。例如十七世紀以前的物理學對十七世紀的力學毫無幫助;十七世紀 的科學革命幾乎純粹是無中生有的創造。

可是,如果把我們投入那個革命的時代,我們就會相信牛頓謙遜地說的話: 「我不過是踩在巨人的肩膀上」是一點也沒錯的。因為在革命的動盪時期,許許 多多不同的新理論被提出,而大師們所做的也不過是運用自己超凡的智慧看出各 新的小理論之間的關聯,然後把它們綜合、擴充,再加上自己的創意,雄辯式地 推銷給其他身陷危機感而急待救星的科學家。

一個具革命性的新理論從來就不可能出現於「真空」的狀態的。就像愛因斯 坦當時已有人開始公開懷疑絕對時空的觀念了。愛因斯坦更曾說過,如果他沒有 發現狹義相對論,法國物理學家朗之萬也將會發現 [31] 。愛因斯坦偉大之處是在於 他過後開創了廣義相對論,并且還對量子論作出了根本性的貢獻。在剛刊出愛因 斯坦的相對論的論文之時,并沒像他想像中的引起很大的轟動,這也許是因為當 時的物理學界已經處於一種不確定感之中了,科學家們的開闊的心胸比較不會像 在常態科學之時去批評一些所謂的「異端學說」,這更使得愛因斯坦的革命性理 論在全世界還沒超過一打的人搞得懂之前就名滿天下了。

十七世紀和二十世紀之所以會被認為是天才的世紀,在這裡應該能夠暸解了 吧?只因為這兩個世紀在科學界是鬧轟轟的革命的年代,是新舊典範交接之時。 如果伽利略、牛頓和愛因斯坦若非有幸生於一個屬於可以讓他們革命的年代,那 就算他們有多麼過人的才智天賦,也許他們也只能在「常態科學」裡頭做些典範 開創大師留下的「收拾零雜」(mopping up)的工作。他們也許還是會名留青史, 但他們想必不會是像今天這樣的放出萬丈光芒的。或許,在典範大師的陰影下, 他們還是能夠提出像他們當時一樣的創意。不過,這樣的下場恐怕只會是更糟, 因為他們可能會被遺忘在歷史裡。在哥白尼之前就已經有人提出地心說,但在托 勒密典範的強勢之下根本出不了什麼聲音。孟德爾提出遺傳原理之時,就馬上被 冷漠對待,也許我們可以說他們走得太前了──在那個世紀還不能了解他們之前 就超越了那個時代。但我認為這是因為他們當時的科學界并沒有危機的發生,而 且在當時的科學典範之下,他們的問題是「不重要」的。所以說,「天才」的出 現其實不在於有沒有人能夠成為「天才」,而主要在於當時是不是一個可以讓「天 才」出頭的時代!

主要參考文獻:

  1. 布萊恩(Denis Brian)著, 鄧德祥譯, 《愛因斯坦(上)-千山獨行,擘創宇宙 大業》(Einstein: A Life), 天下文化。
  2. 孔恩(Thomas S. Kuhn)著, 程樹德、傳大為等譯, 《科學革命的結構》(The Structure of Scientific Revolution, 2nd edition), 遠流出版。
  3. 科恩(I. Bernard Cohen)著, 楊愛華等譯, 《科學革命史》 (Revolution in Science), [中國大陸]軍事科學出版社。

科學大師的相片取自: http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/


註釋:

  1. 孔恩(Thomas S. Kuhn)著, 程樹德、傳大為等譯, 《科學革命的結構》(The Structure of Scientific Revolution), 遠流出版, pp.53-54。
  2. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, pp.241-251。
  3. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, pp.55-56。
  4. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, pp.62-65。
  5. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 3。
  6. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 4。
  7. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 5。
  8. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 6。
  9. 這就是典範「指引」下對異例的解決的新發現的最佳範例。
  10. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 7。
  11. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 8。
  12. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 9。
  13. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 10。
  14. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, chap. 10。
  15. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, pp.151-152。
  16. 孔恩(Thomas S. Kuhn), 上引書, pp.152-156。
  17. 布萊恩(Denis Brian)著, 鄧德祥譯, 《愛因斯坦(上)-千山獨行,擘創宇宙大業》(Einstein: A Life), 天下文化, p.35。
  18. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.49-50。
  19. 對於歸納法的問題這點孔恩也曾清楚也說明。
  20. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.76-77。
  21. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, p.88。
  22. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.99。
  23. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.103-105。
  24. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.106-107。
  25. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.110-111。
  26. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.112-114。
  27. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.123-151。
  28. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.154-155。
  29. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.165-166。
  30. 布萊恩(Denis Brian), 上引書, pp.150。
  31. 科恩(I. Bernard Cohen)著, 楊愛華等譯, 《科學革命史》(Revolution in Science), [中國大陸]軍事科學出版社, p.412。

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