原諒我，牛頓

「原諒我，牛頓」，愛因斯坦在自傳上寫著，「作為一個最聰明和富有創造力的人，你已經在你的年代盡了最大的努力。」


愛因斯坦要牛頓原諒他，原因無它，因為他已經發現相對論，取代了牛頓力學在物理的地位。一九零二年，愛因斯坦度過生命中最慘淡的幾年，沒有人要推薦他做物理，只好在瑞士專利局找到一份工作。一九零五年，剛結婚兩年的愛因斯坦發表了三篇重要的論文，其中一篇就是狹義相對論。相對論，改變了人類數百年，甚至數千年來，對於無限在物理上的定義和使用。

牛頓力學裡，相對運動是很簡單的。試想宇宙中有兩艘太空船，一架以每秒五公里的速度行駛，另一艘太空船要超過他，只要每秒比他開的快五公里，也就是每秒十公里的速度前進即可。結果這兩架低速太空船，很快的就要用盡全力，才能拼的你死我活，如果科技允許的話，牛頓可能會說，他們最終會以無限大的速度飛行。換句話說，速度是沒有止盡。

而愛因斯坦第一個想到的問題是，速度真的可以無止盡的加上去？愛因斯坦在他的論文裡假設，如果所有帶有能量的物質，或是電磁波，速度都不能超過光速，物理定律會變成怎樣？

首先，時間和空間會和我們想像的不同。在牛頓定律中，時間和空間，就像互不干擾的兩條河，靜靜的前行。狹義相對論中，時間卻和空間緊緊相扣，彼此相依。第一個有趣的現象是，速度越快的物體，測量的長度會縮短。就好比一艘太空船，飛得越快，他所測量同一個物體的長度越短。如果接近光速，長度會越接近無限小，也就是說，一個乘著光飛行的旅客，他所看到的事接都是無限小的，幾乎就是看不見，可以說是在虛無中旅行。這時，物理中的長度的無限小，就都只是相對而言。

再來，速度越快的物體，時間會變慢。愛因斯坦曾經舉過一對雙胞胎的故事。如果說現在科技很發達，雙胞胎的其中一人，將開著速度為百分之八十光速的太空船旅行，目標為四百七十光年的貝拉垂斯（BELATRIX）星，另一個只想待在地球。出發時兩人都為二十歲，結果回到地球時，太空旅行的雙生子之一為五百七十一歲，而地球上的那位仁兄卻已經九百五十六歲（當然我們假設那時人已經可以活超過一千歲）‧哇，這是怎麼回事呢？愛因斯坦的回答是那個用很快速度旅行的太空人，生理時鐘都變慢了，所以當然駐顏有術。這個看似奇妙的雙生子矛盾，後來在基本粒子上發現，那些用大約光速飛行的基本粒子，比靜止的基本粒子生命期長。

這時，狹義相對論宣告無限的相對性。當物體越接近光速飛行時，長度變小，時間變慢，甚至質量也會變大。狹義相對論告訴我們，速度不可能無限大，但有限質量的物體，在飛行接近光速時，測量的長度會接近無限小，本身的質量會接近無限大，測量的時間也會往無限長方向前進。

一九一九年，愛因斯坦完成了廣義相對論，廣義相對論是他對牛頓重力的從新思考。在牛頓的重力理論中，只有有質量的物體，才會互相吸引。比如說光，是沒有辦法受到重力的吸引，因為光並沒有質量。

想像在太空中的一個電梯，往上加速前進，在電梯中的你，會覺得好像受到重力影響往下掉，對了，這就是愛因斯坦廣義相對論中的最重要的定律，就是重力所拉的方向，和加速往反方向的運動，是不可分的，這又稱做等效原理。在加上狹義相對論中，時間空間是不可分的，而加速度是造成時間空間扭曲的效應。所以愛因斯坦的結論是，重力會造成時空扭曲。

這樣的扭曲效應，最重要的結果是，當光經過像太陽這樣重的星球旁，會因為時空扭曲而不再走直線，而是像太陽傾斜，這樣的效應是牛頓重力學無法解釋，因為光是沒有質量，依照牛頓重力理論，光是無法被重力影響。一九一九年，一組科學家真的測量到光會向太陽偏折，愛因斯坦的廣義相對論獲得最終的勝利。

但在愛因斯坦的廣義相對論中，有件事非常奇怪，就是它會預測宇宙，不是一直膨脹，就是萎縮，於是愛因斯坦就加了一項宇宙常數，去平衡這樣的怪現象。在愛因斯坦的心中，宇宙應該是靜止不動的，也就是說，宇宙是無限大而靜止在那兒的空間和時間。但後來科學家從望遠鏡的觀察中，發現星體有互相遠離的現象，也就是，宇宙是一直在膨脹的，而愛因斯坦加上的宇宙常數等於零。

一九二二年，俄羅斯的數學氣象學家亞歷山大。弗裡德曼（Alexander Friedmann）
，從廣義相對論中，找到一個解，提出宇宙原初大爆炸理論（Big Bang）。根據大爆炸理論，宇宙應該是在一百二十億年前，由一個能量很高的點，爆炸開來，然後往外擴張。這個理論可以預測，宇宙的熱度，也就是與所謂的宇宙背景輻射，應該接近絕對零度，也就是攝氏零下兩百七十三度。這和現在測量到的二點七度K，也就是攝氏零下二百七十度左右相符合。宇宙背景輻射的測量，證實大爆炸理論的正確。

大爆炸的理論完全顛覆以往對於無限的概念。我們一直覺得，時間和空間應該是無限寬廣，沒有最初，也沒有盡頭。但是大爆炸理論告訴我們，時間空間來自與一百二十億年前的爆炸，在那之前是什麼？？宇宙邊緣之外又是什麼？？很抱歉，這個答案無解。因為在大爆炸之前，時間並不存在，而宇宙是一直向外擴張，在邊緣之外，空間也不存在。

愛因斯坦曾很後悔，加入了宇宙常數，並視為這輩子最不該做的事。他的堅持其實是來自對無限的傳統看法，覺得宇宙就是無限大且靜止，而不該一直膨脹。這樣的堅持和他覺得上帝不會擲骰子，而拒絕相信量子物理一般，讓他和近代科學越來越遠。

而現在物理學家相信什麼呢？無限真的不存在嗎？2000年所出刊的自然雜誌（Nature）中，刊登了一篇文章，一組天文學家觀測到一星球，已經一百五十億年，也就是說比大爆炸還早，這幾乎快推翻了大爆炸學說，說明宇宙並沒有原初點。但這真的可以推翻之前的論述？數據太少，還是無法撼搖大爆炸理論，但科學家已經在思考，大爆炸理論是否錯誤？因為科學家只相信實驗，和觀測，至於什麼是事實，只有等待一直出現的數據來告訴我們。

參考資料
NOVA-Einstein http://www.pbs.org/wgbh/nova/einstein/index.html