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導讀:二十一世紀看愛因斯坦

「一個世紀之中,只有少數有識見的人,有清楚的腦袋與風格,以及良好的品味。他們流傳下來的作品,是人類擁有最珍貴的資產。」 - 1952,談古典文學

還有什麼比愛因斯坦本人的這段話,更能為本書下註腳、做總結呢?愛因斯坦是時代雜誌評選的二十世紀代表人物。他不僅是個偉大的科學家,建立狹義與廣義相對論、開啟量子革命;他也生活在動亂的大時代當中,歷經兩次大戰與放逐,親眼見證了西方文明最輝煌與最齷齪的一面。愛因斯坦的理論開啟了核能時代,致信羅斯福總統促成原子彈的發展。晚年的他也目擊了美蘇核武競賽,將人類置於浩劫的邊緣。這一本文集,既深且廣,是歷史、人生、哲學、科學的饗宴。

「極少人有足夠的獨立性,能看透當世的弱點和愚蠢,並且保有自我不受影響。」 -1930 , 談蕭伯納

愛因斯坦是最常被作傳的人物,談相對論的專業與科普書籍也已汗牛充棟。綜合科學專業與傳記的更有裴斯 (Abraham Pias) 的權威著作Subtle is the Lord: The Science and Life of Albert Einstein 。不過原典畢竟有其不可取代之處,除去一切神話與美化,直接展現他獨特的人格與思想。雖然選文主題看似龐雜,時間更橫跨人類史上最瘋狂的半個世紀。單看一篇文章,筆調時而嚴肅時而諧謔,情感時而沮喪時而興奮,但難能可貴的是愛因斯坦所展現的人生態度、科學哲思,卻出奇的純真與一致。



愛因斯坦的人格與信念



愛因斯坦是怎麼樣的一個人呢?身為理性的巨人,他當然有極其孤高的一面:

「長久以來,我對社會正義和社會責任都有強烈的感覺;另一方面,我明顯地不需要與他人和社會有直接接觸。兩相對照之下,形成了奇怪的對比。…[孤獨]會讓人失去些許天真無憂,但是另一方面,這樣可以大大擺脫受他人意見、習慣與判斷的影響,避免受到誘惑而將內心平衡建立在這些薄弱的基礎上。」 - 1931

他把這種只信仰自己判斷,完全不相信別人的極端個人主義,歸因於科學家的天生排斥權威。不過面對自然與人群,愛因斯坦具有謙遜而可敬的人格。牛頓(Isaac Newton, 1643-1727)是少數能在科學史上與愛因斯坦相提並論的另一位大師,不過我們越了解牛頓這個人,對他的敬愛就越少。而對於愛因斯坦則剛好相反。

愛因斯坦對宗教信仰著墨極多,他對基督教與猶太教的狹義詮釋頗有批評:

「想像有一個萬能、公正、仁慈與人格化的上帝存在,無疑能夠為人們帶來安慰、幫助和指引。…[然而],今天宗教和科學領域的衝突,主要來源在於這「擬人化上帝」的概念。」

「為了美好的道德而奮戰,宗教導師應當有魄力放棄人格化上帝的教義,也就是放棄恐懼與企盼的源頭,雖然這在過去給予神職人員莫大的權力。他們應該努力孕育人性中的真善美。確實,這是更困難的任務,但是絕對更有價值。」 - 1941

不過,基本上他對於宗教與宗教領袖,尤其是對於他們所扮演提升人類道德的角色,是抱著極為尊敬的態度。雖然,他明白的否定了人格化上帝與永生:

「人類所能擁有最美麗的經驗是神祕奧妙,這是真正藝術與科學起源的根本感情。…知道有某種我們無法看透的事物存在,讓我們感覺到最深奧的理性、最耀眼的美麗,以最原始的形式直通我們心靈深處。…在這層意義上,而且唯有在這層意義上,我算是有虔誠信仰之人。」 - 1931

不過,他也用同樣的力道,明確否定科學或理性可用來定義人類的價值與目標。我認為,這段情感外溢的文字絕對是出於肺腑,而不是矯情或迂迴之辭。愛因斯坦對於真、善、美的崇尚,讓他對於宗教非常敬重。和他相比,後來的費曼和霍金等物理學家在這方面簡單而直線。近年來所謂「新無神論者」所採取的高傲甚至鄙夷的態度,對於啟蒙人心更是沒有幫助。



愛因斯坦:和平主義者



談到戰爭,平時一派輕鬆詼諧的愛因斯坦就會激動起來:

「一個人可以意氣風發隨軍樂隊聲在隊伍中劃一前進,就夠讓我鄙視了。…聽令行事、殘暴不仁以及一切以愛國主義之名的胡言亂語,實在讓我痛恨到無以復加!戰爭對我來說,何等卑鄙下流啊!我寧可被碎屍萬斷,也不願意沾染這種可恨的勾當。」 -1931

在兩次世界大戰之間,愛因斯坦的聲望已經如日中天。荒唐的一次世界大戰,完全摧毁了中歐與東歐,並造成數以千萬計的死傷。當時身在柏林大學的他除了講學著述,花了許多精力呼籲歐洲各國重歸舊好,裁軍限武。然而,這卻於事無補。戰敗的德國憎恨法、俄,並把一股怨氣出在猶太人身上。在這種環境下,納粹崛起,開始窮兵黷武。在這段時期的文章中,我們會發現愛因斯坦一開始試圖動之以情,強調輝煌的歐洲文化學術共同體,逐漸筆調轉為氣急敗壞,最終不得不與祖國劃清界線。在他竭力想要避免的二次大戰終於爆發之後,愛因斯坦只能感嘆眾人的愚蠢與盲從。在大戰末期,大勢底定之際,他有著這樣沈重的評語:

「整個德國民族需要為大屠殺負責任,而且整個民族都需要受到懲罰,如果這個世界還有正義存在,如果各國未忘記共同的責任。為納粹黨撐腰的是德國人民,當希特勒的演說與著作赤裸裸露出無恥的意圖、絕對不可能被誤解時,德國人民卻把票投給他。」 - 1944

把矛頭指向他祖國的平民百姓,即便公允也似乎冷酷不近人情。然而,德國上下全面助紂為虐,即使在軸心國當中也絕無僅有,這是非常清楚的責任歸屬。同樣的,愛因斯坦也呼籲掌握武器技術的科學家背負應有的道德重責, 而不是以「時勢所迫」作為遁辭。

「盟國贏了戰爭,卻輸掉了和平」。二戰後美、蘇開始互相猜忌、競爭。原子彈與氫彈的發明與量產,更是將全世界推向毁滅邊緣。愛因斯坦將重心轉向防止核戰,從法、德的調人,搖身一變成為美、蘇的調人。崇尚自由的他,雖然基於人道主義支持社會主義理念,但對極權政府一向厭惡。因此愛因斯坦雖然推崇馬克思,卻對蘇維埃式共產主義抱持懷疑態度。不過,和多數英美政治人物與民眾相比,他對蘇聯還是多了一分寬容、理解,甚至感激。不幸的,蘇聯還是不買帳,一群蘇聯科學家以八股式譴責美帝「別有用心」,來回應愛因斯坦力邀蘇聯加入「超國家聯盟」。愛因斯坦的回應,頗有孔明舌戰群儒的氣概,十分令人動容。最後他這麼感嘆:

「難道,真的因為人類的激情和積習,讓我們該受到處罰,自相殘殺徹底消滅,並毀掉一切值得保存的東西,這真的無法避免嗎?在我們之間這種奇怪的書信往返中,所觸及的一切爭議歧見,相較於如今世局所面對的危險,不是顯得微不足道嗎?我們不是應該盡一切力量,消除所有國家面臨的威脅與危險嗎?」           -1947 (與蘇聯科學家公開信)



自然哲學家愛因斯坦



愛因斯坦已經是天才的同義詞。這種人做學的模式,是獨自坐下來苦思一陣,然後在一張紙上寫下答案—至少謠言如是聲稱。他自己則是這麼說:

「我不相信必須像組織大公司般將科學組織起來才行。我認為,人們可以組織起來運用一項發現,而非組織人們來獲取發現,唯有自由的個體才能創造發現。」 -1945

當今這種說法最明顯的反例,當然是幾百人參與的粒子對撞機實驗所發現的新粒子、新現象。然而近年來科學的質與量都出現劇變,獨行俠即使在純理論物理也已經站不住腳。我在史丹佛大學物理系三樓的理論家同事們,每天都成群有組織地討論想法,新的點子常常從中蹦出。不過愛因斯坦到了晚年還是沒有改變,雖然在學術上仍有佳作,但基本上已經進入孤立主義,對不斷湧入的實驗結果視而不見,冀望他的方程式會水到渠成,解決所有問題。

愛因斯坦念茲在茲的,是物理世界的真實基礎。什麼是「物理世界真實基礎」,而它又有甚麼用呢?好萊塢電影<<駭客任務>>(The Matrix, 1999)中一個令人印象深刻的場景是接近片尾,當基努李維飾演的男主角看清他的世界是由一行行電腦程式組成,突然可以隨心所欲控制物體,甚至縱身起飛!愛因斯坦看出時間、空間、質量與能量的本質,這把鑰匙釋放了密封在原子核中的巨大能量,徹底改變人類文明。大多數物理學家並不是為了應用性而研究世界的本質,然而這個例子應能讓對方程式最無感的讀者體認到為何物理學家老是用化約的方式看待問題,而且當這道計畫成功時,效應是如何的令人驚異。

在文集中愛因斯坦花大量篇幅的討論哲學,尤其是認識論與空間的概念:

「人們常說科學家是很差勁的哲學家,這種說法不是沒有道理。那麼,物理學家是不是乾脆把哲學思考留給哲學家就好了?我並不同意。當物理的基本概念已經很成熟、無庸置疑之時,或許可以這麼做。然而,當今物理學的基礎本身問題重重。…在尋找新的根基之時,物理學家必須清楚知道他所使用的觀念,有哪些是合理、必要的。」 -1936 , 物理與真實

大致上這些文章可讀性都很高。與他相較,當代物理學家談到哲學就不耐地「翻白眼」。然而如上所述,愛因斯坦討論物理哲學確有必要。他所帶來的知識革命,不管是狹義或廣義相對論,其特徵並非巧妙的形式或是冗長的邏輯演繹,而是對於經驗與知識的徹底反思,除去不當的假設(如時間的普適性、歐幾里得度規),並加入受經驗支持、或可增進理論一貫性的假設(如相對性原理、等效原理、廣義協變原理)。

當然,愛因斯坦成長於百年前的歐陸知識界,橫跨科學與哲學的學者為數眾多。更何況,他要應付像龐加萊(Henri Poincaré, 1854-1912)這樣「尖銳而深具洞察力」的思想家:

「龐加萊主張,公設化幾何學本身對真實世界無從置喙,唯有與物理定律合併才行,既然如此,不論真實本質為何,應該能夠保有[簡潔優美的]歐幾里得幾何學才對。如果理論與實驗之間出現衝突,應該修正物理定律而保存公設化歐氏幾何學。」      -1921 (幾何學與日常經驗)

時過境遷,這話現在聽起來已經像是囈語。然而在當時,這話聽來鏗鏘,更是一個極受敬重的數學大師對相對論的全面攻擊。愛因斯坦只能採取守勢:

「我必須承認,如果否定真實的剛體與幾何學的任何連結,人們的確應盡其所能地保有歐氏幾何學的簡潔。」

在舉出幾項實例,並為理想時鐘、尺規概念的適用性做辯護後,愛因斯坦總結:

「我認為宇宙究竟是歐幾里得、黎曼時空丶或是其他結構,是一個物理問題,只能經由經驗來提供答案,而不是可以為講求方便而任意約定俗成。」   -1921 (幾何學與日常經驗)

另一位與愛因斯坦關係密切的思想家是馬赫(Ernst Mach, 1838-1916),這位科學哲學家認為物體慣性應由宇宙遠處質量所賦予 (「馬赫原理」)。在本部分收錄的多篇文章中,愛因斯坦一再指出馬赫的哲學想法是廣義相對論發展的動機之一。愛因斯坦以為「加速度必須相對於絕對空間」是牛頓理論最大弱點,而廣義相對論摒棄了牛頓的絕對空間,因為其方程式在所有座標系都成立。然而,人們很快發現廣義相對論雖簡潔優美,邏輯一貫,但它並不滿足馬赫原理。空無一物的閩可夫斯基宇宙顯然是廣義相對論的解,而測試質點在其中也具有慣性,因此就空間來說相對論其實和牛頓理論一樣絕對。

更不幸的,馬赫的陰影更讓愛因斯坦「預測」宇宙是封閉有限的:

「宇宙空間無限大,只有在物質平均密度趨近於零才會成立。如果物質平均密度在大尺度有限,宇宙空間必然有限。…早先馬赫主張把慣性完全看成物體與宇宙中其他物體交互作用的結果。我認為這是一種很合理的看法。…然而,廣義相對論方程式顯示,唯有有限空間,才能讓慣性純粹由物體交互作用所產生。」    -1921 (幾何學與日常經驗)

以現代眼光來看,這短短一段話出了好幾次錯。首先,第一、二句話暗含著(錯誤的)靜態宇宙假設;其次,在廣義相對論中,有限空間靜態解是不穩定的;最後,後人(如狄奇,R. Dicke)發現即使不論穩定性問題,純幾何的重力理論不可能滿足馬赫原理。整體來說,馬赫的哲思與他對愛因斯坦的影響,只是場美麗的錯誤。

愛因斯坦雖承認量子力學的成功,卻對於其機率性本質不以為然,與量子力學的代言人波耳長期辯論,雙方都提出一系列精采的思考實驗。愛因斯坦曾說:「上帝不擲骰子」,為此波耳神回:「別告訴上帝祂該怎麼做」。現代物理學家打娘胎就擁抱測不準原理,把愛因斯坦看成是個老頑固。但重看他所寫的文章卻發現愛因斯坦不但承認量子力學在實用性大加成功,而且他很清楚量子力學在邏輯上並無自相矛盾之處。他所反對的,是量子力學在哲學詮釋上的看似荒唐,以現代眼光來重看這些討論,哥本哈根派的說法(尤其是海森堡)閃爍其詞,甚至試圖模糊單一粒子的物理真實,也難怪愛因斯坦不信邪。愛因斯坦精心設計用來推翻量子力學的思考實驗(Einstein-Podolsky-Rosen Paradox,於本書收錄的<<物理與真實>>中討論),在八○年代被實現為真正的實驗,而其結果卻是量子力學的大勝利。「物理真實」並沒有被犧牲,愛因斯坦眼中「不完整」的波函數,已被建立為是完整、確切的粒子描述。我相信若他能看到這些明確的實驗結果,一定也會心服口服,甚至感到一些安慰。



二十一世紀看愛因斯坦



我們每個人都坐著時光機,每三百六十五天就向未來躍進一年。愛因斯坦於一九五五年逝世,至今已超過六十年。他對於世界局勢的憂心、對於物理學的期許,我們皆得以藉時空的優勢,用現代的眼光重新檢視,從中獲得不同的體認。

美蘇冷戰了幾十年,愛因斯坦心目中理應維護和平的「超國家組織」一分為二,北約盟國與華沙公約組織劍拔弩張、誓不兩立。不過愛因斯坦最擔心的第三次世界大戰,所幸還沒有發生。事實上,二戰後的這七十年是人類史上最和平的時期。難道,毁滅性驚人的成堆氫彈,真的發揮了嚇阻效果?在提名「奇愛博士」獲諾貝爾和平奬之前,要知道資訊的自由交流、商業至上的地球村的形成,也對降低敵意有很大幫助。另一方面,即使玉石俱焚的全面核戰機率下降,核武意外或外流的機率卻持續上升。更何況,七十年的安定在人類史上如一轉瞬,恐怖平衡是否真的穩定,還言之過早,不可掉以輕心。

分配的正義,是愛因斯坦所擔心的另一件事:

「當今商品的製造分布混亂失序,每個人都活在恐懼中,擔心會失業窮困。」 - 1939 (時間膠囊留言)

這段話,寫於2016年也不為過。自動化取代工作的狀況愈加嚴重,企業為了利潤與名譽矇了眼睛向前衝。貧富差異日益擴大,沒有人知道未來當機器人的生產也由機器人來擔任時,究竟該怎麼辦。

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在物理學上,人們困惑地發現,方程式的適用性似乎超越哲學思考。馬赫原理老早就被拋在九霄雲外,然而重力場方程式在一百年的無情測試之下屹立不搖,還用在全球衛星定位系統(GPS)中。即使精準無比的場方程式十分成功,依愛因斯坦的高標準它尚有不周全之處 :

「據我們所知,[場方程式]的預測與天體力學觀測完全相符。然而,這個方程式像是左右不對稱的建築,一邊是由華麗大理石建構(方程式左邊),而另外一邊卻是一堆劣質木材(方程式右邊)。」-1936 , 物理與真實

場方程式左邊是時空幾何,而右邊是描述物質,愛因斯坦會抱怨方程式右邊,追根究柢是因為相對論無法解釋物質以基本粒子形式出現,讓他感到極不自在。愛因斯坦冀望在推廣的場論中,粒子會(以類似黑洞的形式)自然出現。幾十年來,實驗家持續發現愈加特異的粒子與交互作用,但直到晚年,愛因斯坦仍頑固地宣布:

「當代物理學家常問:若是沒有重力的話,物理學是甚麼樣子?而我根本不承認這是合理的問題。」 -1950 , 科學美國人

然而,狹義相對論不也是先忽略重力場才發展出來的嗎?若不暫且將重力擱在一邊,就得將幾十種粒子與交互作用擱在一邊了,這不是更糟嗎 ?於是物理學堅決地與愛因斯坦分道揚鑣,終於在七○年代完成與實驗吻合,在邏輯一貫性方面非常理想,奠基於量子規範場論的粒子物理標準模型。

原子本來是為追求邏輯一貫性所引進的臆測概念,在廿世紀初似乎不可能直接觀測到。馬赫(又是他)對此提出尖刻批評,認為無法驗證的理論不是正當的科學理論。對此愛因斯坦辯解道:

「奠基於粒子理論的氣體動力學理論與統計力學皆非常成功。…獲取這些重大成就所付出的代價,就是賦予「原子」真實的存在,而它當然是具高度臆測成分的東西,人們不太可能真正能直接「感受」到原子的存在。…雖然其基礎與直接的實驗更加遙遠,然而在本質一貫性卻大為增進。」 -1936 , 物理與真實

當時,愛因斯坦對於原子是否真實模稜兩可,並「承認」原子論與實驗更加遙遠。廿一世紀的現在,原子就和石頭一樣真實,而且在網路上就買得到可以直接看見一顆顆原子的掃描穿隧顯微鏡(STM)或原子力顯微鏡 (AFM)。這讓我想到溫伯格(Steven Weinberg)所說:「人們常犯的錯,不是太相信理論,而是不夠相信理論。」

除了原子論因「無法檢驗」而受批評,廣義相對論也因其艱深的數學而受大眾質疑:

「現代理論的假設,看似越來越抽象,與經驗越來越遠。然而,科學的終極目標是以最少的假設經由邏輯演繹推導出所有觀測到的現象。這樣看來,現代理論科學與相對論和這個目標越來越接近。…對於從事這項工作的人,我們不應冠上「狂想家」的標記,而應給予支持鼓勵,因為除此之外別無它法。」  -1934 

廿一世紀,理論物理學愈加艱深(超對稱規範場論與弦論)、與日常經驗鴻溝愈加擴大(額外空間維度、暴脹多重宇宙、黑洞資訊悖論),因此也招致不少批評。然而,現代物理學家所追尋的目標與愛因斯坦無異,是理論本質的一貫性與邏輯上的盡量簡潔。尤其,人們希望能將重力也納入量子場論之中。不過在基礎物理這領域,我常感覺到人類的智慧與直覺已經被推到極限,有時連愛因斯坦式的哲思都開始派不上用場。值得慶幸的是,規範場論與標準模型的成功證明至少邏輯與方程式是卑微的人類聯繫宇宙神秘本質的可靠方法。而說不定百年後,這些新一代的理論真能受實驗檢驗!