大人之科學:愛因斯坦在香港 時光旅行 世上有無數人無數科學家,都依仗愛因斯坦而名成利就;甚至可以說,每個現代人都是踏在他頭上,經歷「開天眼」的洗禮,竟能進入無限穹蒼,細察宇宙至微。如果你還沒能明白 E=mc2這條方程式,也許就是你注定一生盟塞、唔化的原因了。
愛因斯坦 相對論時光旅行( 2011-04-18 )
記者:馮敏兒
攝影:譚盈傑、馮敏兒
地面的鐘慢過枱面的鐘
著名天文物理和宇宙學家,中文大學物理系的朱明中教授,就因為神迷愛因斯坦的相對論而改寫一生:「時間和空間怎可能是相對的?我不需要很聰明,但彷彿也可以掌握很偉大的宇宙定律。」因為愛因斯坦,「移動中的尺會短了的,不是物質本身縮短了,而是空間縮短了。時間和空間不再是永恒不變的舞台,它會被演員的演出,反過來改變舞台的時空。當所有人都以為時間和空間是絕對的,就算走到宇宙盡頭,你的錶和我的錶都是一樣的,但愛因斯坦卻第一個走出來否定了。他印證了『山中方七日,世上幾千年』這個傳說,他指出宇宙中沒有一個絕對的時鐘,不同速度運動中時鐘有快慢之別,時間和空間就如你的左右,但跟我的左右不同,是相對的。」朱教授說:「在黑洞邊緣,接近連光都逃不掉的『事界』,時間會慢得近乎停頓,在我們眼中,在那兒的人是永遠不會老的,但他們自己並不自知。」狹義相對論提出時間延滯現象,廣義相對論說質量導致時空彎曲。在萬有引力之下,時間被扭曲,例如在我們眼中,太陽的旁邊的星光位置被太陽拉近了。「年前最新一個實驗,證明了接近地面的鐘,慢過枱面上的鐘,房間內每一個點的時間都不同。相對論清楚顯示着宇宙中沒有絕對的空間,空間隨着觀測者的運動速度而改變,所以單講空間或時間都是錯的,只有結合起來的『時空』( space-time),才有其絕對意義。不過相對論很怪,只有被拉慢的時間,而沒有被加快的時間。」
改變世界的方程式 E=mc2
愛因斯坦這條驚世的質能互換方程式中, E是能量, m是質量(可理解為重量)。只要把任何物體的質量乘上光速值平方 c ,便得到對等的能量。那就是說能量與質量可以互相轉化,而中間人就是「時光」(光速的移動),即物體吸收了光能量會變成質量。天才的深刻洞見,得到無數的實驗證實,更被廣泛應用,核電、核彈、太陽的光和熱,我們一直都在享用 E=mc2 ,甚至黑洞的存在,都是這條極簡單公式的明證。愛因斯坦說:物體速度越高就越難加速,要把一個有質量的物體加速至光速,就需要用上無限大的能量。沒有 E=mc 之前,沒有人會想到,能量和質量可以互換,也就是原子彈的理論基礎,但它不是愛因斯坦發明,而且他終其一生都是反戰廢核的中堅分子。
獲諾貝爾獎 不是相對論
愛因斯坦 1921年獲得諾貝爾物理學獎,並不是因為他的相對論,諾貝爾獎委員會當時更特別強調這點。他獲獎的原因,其實是他的「光電效應」理論,因為相對論在當時還極受爭議,而且很多人都唔明,不過諾貝爾獎也因為給了愛因斯坦這個獎,而聲名大噪。走進中文大學的物理實驗室,就有一組光電效應實驗,包括左邊一個發光器,經過中間的分光器,分出不同顏色,射進右邊的感光電池金屬板中,釋出電子(電力來源),傳到「電流計」量度。愛因斯坦說,光除了有波的性質,其實也是一粒粒的,就像子彈一樣,光子中帶有多少能量,就看它的顏色,越偏向紫色的光,能量越強,紅光則非常微弱。朱明中教授說,現代物理學的整個原子物理、化學反應、核子變化,全需由量子來描述,而量子物理法則卻是由此而開創!
與量子力學的恩怨情仇
「愛因斯坦雖有份催生量子力學,但他到死都沒有完全相信量子理論,因裏面有些說法太神奇了,甚至牴觸相對論,例如量子力學其中一個基本概念,就是一個粒子可同時有不同位置。例如在這房間的基本粒子,有少少機會有部份同時在遙遠的火星,甚至有不同動量或速度,甚至身在過去和未來,但相對論的粒子就只僅僅是當下一粒粒,可是通過這個像潛逃隧道一樣的「穿隧效應」,量子力學才能解釋原子作用的無數自然現象:就算如何困鎖粒子,它總有機會逃出來,因它還有其他部份根本就在外面,例如太陽的 1,500萬℃溫度,本來不足以讓氫氣粒子產生足夠能量黏在一起從而產生核聚變,除非粒子藉着穿隧效應。而量子力學在今天已深入日常科技。解決相對論與量子力學的世紀矛盾,就成了當世物理學家的終極理想!」朱明中教授則把希望放在中微子( Neutrino)研究上,一種能帶走九成能量,穿透地球,不與世上物質發生關係的中微子! 愛因斯坦逝世 56周年,瑞士外交部及歷史博物館為香港帶來一個他的回顧展,展品包括他的文件、照片複製品等,又有解釋有關物理理論的動畫、錄像和互動展品,和展現無邊宇宙,穿越時空,走到宇宙誕生之時的劇場。
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