我正在想第三個人是誰? & 我是阿爾法

據說當年曾經有記者問愛丁頓,有人說全世界只有三個人真正懂得愛因斯坦的相對論,愛丁頓思考了一下,回答:「我在想第三個人是誰?」愛因斯坦與愛丁頓之間的關係,其實比這略帶曖昧的話還要密切,他們的互動甚至還被拍成電視劇呢!本講次藉他們兩人的故事,回顧二十世紀初期天文學與宇宙論的關鍵發展。

講師:高崇文|中原大學物理系暨研究所教授

愛丁頓會注意到愛因斯坦的廣義相對論,可以說其來有自,並非偶然。愛因斯坦在第一次世界大戰期間發表廣義相對論,戰時的政治氛圍相當不利於傳播,不但交戰國之間通信中斷,德國人甚至覺得廣義相對論是愛因斯坦這個猶太裔科學家的幻想。當時德國知識份子大多主戰,許多科學家聯名簽署了支持德意志軍國主義的《九三宣言》,但是當時有德國國籍的愛因斯坦並未連署,因此當廣義相對論由荷蘭物理學家德西特 (Willem de Sitter) 輾轉傳到英國時,當時擔任英國皇家天文學會秘書,出於貴格派信仰抱持國際和平主義的愛丁頓,立刻就對這位不主戰的德國物理學家發明的理論產生興趣,很快地成為廣義相對論在英國主要的支持者。

愛丁頓對於廣義相對論最大的貢獻,應該要算是他在 1919 年 5 月 29 日,率領觀測隊在西非普林西比島,拍攝日全食時太陽附近的星星位置,證實了根據廣義相對論,太陽的重力會使光線彎曲,從而導致太陽附近的星星視位置產生變化的預測。這是轟動全世界的大事件,也因此讓愛因斯坦一舉成為有史以來知名度最高的物理學家。愛丁頓在 1923 年出版的《相對論數學理論》一書,甚至被愛因斯坦譽為「在所有語言中,對這個主題做出最佳呈現」的著作。

愛因斯坦與愛丁頓的緣分,並沒有到此告一段落。他們在相對論的發展上,有時針鋒相對,有時站在同一陣線,有時甚至會一起犯錯。愛因斯坦為重力波找到的平面解,就曾經被愛丁頓糾正,指出其中兩個解只是跟座標選擇有關,愛丁頓還幽默地說這些波不是以光速,而是以「思想」的速度在傳播。後來愛因斯坦因為搞不定重力波的數學,曾經一度認為重力波不存在,不過幾經修正後,仍然回到主張重力波存在的老路,並且在他第一次提出重力波之後整整一百年,於 2016 年終於獲得證實。

宇宙膨脹是另一個愛丁頓與愛因斯坦間接結緣的主題。曾任愛丁頓研究助理的勒梅特 (Georges Lemaître) ,在 1927 年發表了一篇愛因斯坦場方程嚴格解的論文,這個解指出宇宙在膨脹;愛因斯坦是少數知道這篇論文的科學家,但他對宇宙膨脹完全無法接受,甚至曾經當面跟勒梅特說:「你的計算是沒錯,但你的物理卻糟透了!」幾年後哈伯 (Edwin Hubble) 提出宇宙膨脹的哈伯定律,得知勒梅特早先幾年就有類似發現的愛丁頓,幫忙把勒梅特當年的論文譯成英文重新發表,勒梅特才因此聲名大噪,成為宇宙膨脹論的先驅。

除了重力波跟宇宙膨脹以外,黑洞也是一個曾經長時間困擾愛因斯坦的主題。他認為這個半徑項可以在某個地方變成無限的概念,對於廣義相對論來說是個無法想像的災難,還陸續發表了幾篇論文,試著用數學證明黑洞不可能存在。在 1931 年發表恆星質量臨界點,超過就會崩潰塌縮成白矮星的錢德拉塞卡 (Subrahmanyan Chandrasekhar) ,當時受到愛丁頓極力攻擊,甚至因此在英國天文學界混不下去;但是他當年提出的想法被其他物理學家承繼,提出白矮星會繼續塌縮中子星,直到 1967 年由惠勒 (John Wheeler) 正式提出黑洞一詞,黑洞的概念才終於被廣為接受。去年天文學家拍攝到史上第一張黑洞實體照片,總算為這個愛因斯坦跟愛丁頓曾經糾結多時的宇宙現象,做出了著毋庸議的定論。

 

宇宙論在愛因斯坦的廣義相對論問世之後,就分為靜態宇宙論與演化宇宙論兩大派別,彼此爭執不下。現代廣為人所知的大霹靂宇宙論,要等到三項重要的推論被先後被證實之後,才成為物理宇宙學的主流,而這些研究工作與一位跑得比誰都前面,卻被大多數人遺忘的物理學家阿爾法緊密相連。本講次介紹這位無名英雄的研究工作,如何形塑大霹靂宇宙論。

講師:蔣正偉|臺灣大學物理學系教授

科學界有一條「斯蒂格勒定律」 (Sitgler's Law) ,指出「沒有科學發現因其原發現者而命名」,多半歸功於後來更有名望的科學家這個現象。比方說最早提出宇宙膨脹模型的是勒梅特,還被當時堅決主張宇宙靜態論的愛因斯坦,批評為「物理實在糟透了!」,後來卻被叫做哈伯定律,而哈伯定律指出遙遠星系的退行速度,與它們和地球的距離成正比,印證的正是勒梅特提出的宇宙膨脹論。直到兩年前國際天文聯合會才表決通過,把哈伯定律更名為「哈伯-勒梅特定律」,多少還給勒梅特應有的名譽。

勒梅特與哈伯觀察到的宇宙膨脹現象,是大霹靂宇宙論三大重要觀察結果之一,而另外兩項觀察都有我們今天的主角,瑞爾福·阿爾法 (Ralph Alpher) 參與其中。阿爾法跟他的指導教授伽莫夫 (George Gamow) 在 1948 年,一起發表了大霹靂元素合成理論,主張現今我們觀察到的所有元素,都來自於大霹靂。伽莫夫為了給這套理論取個響噹噹的名字,還特地找了並未實際參與研究的貝特 (Hans Bethe) 署名,這樣三人的名字就可湊出前三個希臘字母的發音,而這套理論也就如他所願地稱為αβγ理論。

伽莫夫是個很有玩心的人,但他硬把一位大名鼎鼎卻沒有實質貢獻的人列入論文作者,等於是大大稀釋掉阿爾法的貢獻。覺得這件如今看來有如學術霸凌的事,有影響到他學術聲譽與職位升遷的阿爾法,後來與伽莫夫便漸行漸遠,轉與赫爾曼 (Robert Herman) 合作。阿爾法自己說的很實際:「做科學有兩個原因,一種是無私利他的感覺,認為也許你可以為人類貢獻關於世界的知識;另外一個比較個人的原因,則是你希望得到同行的認可,就這麼簡單。」

阿爾法跟伽莫夫在 1948 年,也一起預言了宇宙微波背景輻射的存在,然而他們在這件事同樣產生了齟齬。大而化之的伽莫夫發表了論文,裡面卻有不少錯誤,阿爾法跟赫爾曼把這些疏漏處告知伽莫夫,伽莫夫卻不甚在意,於是他們就逕自把糾正的論文投稿期刊。事後伽莫夫對他們的計算結果強烈表達其保留態度,卻回頭自己發表了幾篇論文,在理論上承認他們的結論,但又在計算上出了差錯,在阿爾法看來「文獻確實被搞砸了好幾年」。也因為阿爾法跟赫爾曼的研究結果,欠缺像伽莫夫這樣的學術大咖背書,再加上當時欠缺能夠證實其主張的低溫量測技術,他們的預測並未受到學界重視。直到 1964 年彭齊亞斯 (Arno Penzias) 和威爾遜 (Robert Wilson) 偶然發現了宇宙微波背景輻射,才證實了他們的預測,但當時人們早就忘記了當年是誰做出的預測。

阿爾法最具創造力的物理學術生涯,就這樣在那個時代草草終結。後來他雖然數度被提名諾貝爾物理獎,但也總是與殊榮擦身而過。物理學界最後算是有還他一個遲來的公道,先後頒給他亨利·德雷珀獎章以及美國國家科學獎章,表彰他對於大霹靂宇宙論的貢獻;但我們不禁要想,學術史上還有多少像阿爾法這樣,明明是第一個卻被埋沒的無名英雄,成為「斯蒂格勒定律」的受害者。

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