從相對論的誕生，看我們對「科學」的最大誤會

撰文 THOMAS LEVENSON

編譯 徐寒易

一百年前的11月，阿爾伯特·愛因斯坦為一個新理論完成了最後的潤色工作。愛因斯坦以廣義相對論取代了人們心目中最重要的科學概念——牛頓的萬有引力理論，改變了人類看待現實本質的方式。在相對論中，古老的引力概念被一種奇異的宇宙觀取而代之。新理論中，空間會扭曲，時間會彎折。

四年後，科學家在一次全日食觀測中發現太陽附近的星光發生了彎折，證實了廣義相對論，愛因斯坦因此一夜成名。而科學的第一教義——一個簡單的事實可以摧毀最美好的理論，也再一次得到驗證。

理查德·費曼（Richard Feynman）對此的描述更為優美，他寫道，「觀測是檢驗真理的終極和決定性標準」，這一信條給予了科學決定「某一件事是這樣還是那樣」的獨特力量。從某種意義上說，這就是那些想成為科學家的孩子們（以及我們）第一次參觀科學博覽會、看到可口可樂加曼妥思製造的「火山」時學到的：科學之所以會進步，是因為它的每個節點都會接受現實的檢驗。

佐證以上理論的一個典型案例，便是英國科學家在測量了太陽附近星光路徑後的發現。他們在英國皇家學會的一次會議上報告了觀測結果，他們的數據更符合愛因斯坦的預測，與牛頓的經典理論矛盾。這是一個清楚又簡單的觀測結果：光沿著時空的等高線彎曲了。兩百歲的牛頓宇宙觀就這樣轟然崩塌。

但是問題在於，事實並非如此。

阿爾伯特·愛因斯坦的理論沒有必要等待四年。在他完成廣義相對論的終稿前一周左右，就已經知道大自然站在了他這一邊。他在計算時發現，其他科學家那些看似由測量不精而造成的微小誤差能夠被他的理論完美解釋。對愛因斯坦來說，這就夠了：廣義相對論是正確的。

乍一看，這似乎是另一個能佐證費曼所言的故事。但實際上，此前的半個多世紀里，這個能坐實廣義相對論的行星之謎都無人能解。沒有人意識到它的本質，連愛因斯坦也到最後才恍然大悟：原來它能徹底擊垮牛頓的經典理論。事實上，科學家們花了幾十年尋找這顆牛頓經典理論下理應存在的行星，但卻一無所獲。

1859年，科學家在對水星軌道的一次分析中發現了一個偏誤。這個最靠近太陽的行星，其軌道的計算結果與觀測之間存在一個小於萬分之一的「誤差」，而這無法被太陽系內任何重力源所解釋。牛頓重力理論框架提供了一條非常自然的解釋：如果計算中涵蓋了所有已知天體，那麼一定有一個橫在水星和太陽之間的未知星體，只有它的存在才能夠解釋水星軌道的異常。

這個理論上存在的天體幾乎立刻粉墨登場。1859年12月，人們觀測到了它短暫的凌日現象。它是如此理所當然，人們迫不及待地給它取了個名字：「火神星」（Vulcan）。當時的天體攝影技術（即將相機裝載在天文望遠鏡上攝像）尚未成熟，因此這次凌日其實是通過繪畫和文字記錄的，只有當其他科學家重複地觀察到這樣的現象，才能確證它的存在。實際上，沒有人對這次凌日進行證實，當然這也無關緊要，因為在接下來的20年里，科學家和嚴肅天文愛好者們至少十幾次「觀察」到了火神星的存在。

最後一次「大發現」發生在1878年的美國日全食期間。底特律天文台台長詹姆士·沃森（James Watson）在昏暗狹窄的太陽臨邊（limb）里發現了一個小小的紅點，他認為那就是火神星。不幸的是，美國聯邦政府設立的八大天文台當時也在觀測日食，其他天文學家沒有發現任何異常。

至此，科學家終於達成了一致：這些「大發現」，要麼是看花眼，要麼是太陽黑子，要麼是他們認錯了其他天體，要麼只是一個妄想。火神星看起來確實應該存在，因為在牛頓的宇宙學中它必須存在。但事實並非如此。

接下來的事情可想而知，只不過沒人敢站出來質疑而已。牛頓會不會搞錯了？一些天文學家提出了針對性的解釋：或許太陽的中段比我們想像得更寬（事實並非如此）；或許有太陽周圍有一個我們看不見的塵埃環對水星施加了引力（沒有這種塵埃環）；或許我們可以調整牛頓理論中的常數讓計算結果符合觀測（行不通）。接下來的30年里，水星軌道的異常問題逐漸被人遺忘。一邊是現代科學歷史上最成功的理論，一邊是一個無法解釋的微小異常。事情到此為止，沒有人再提出質疑。

然而，對牛頓理論的最後挑戰還是到來了。1905年，愛因斯坦發表狹義相對論，在這個理論中，以不同速度運動的觀測者觀測到的時間流逝以及空間大小是不同的。到了1907年，愛因斯坦意識到狹義相對論與經典的運動以及引力理論相悖。在牛頓眼中，空間不會阻滯引力的作用，太陽對地球施加的引力沒有時滯。但愛因斯坦認為，沒有任何東西的運動速度可以超過光速，其中包括引力。

除此之外，愛因斯坦還發現了一些其他問題。但讓愛因斯坦將狹義相對論擴展為引力理論的，不單是一次異常的觀測結果，而是其與經典理論的對峙。他花了8年時間完成這個更宏觀的理論。1915年11月，他終於找到一個新的宇宙觀，能量和物質會使時空變形；他還搭建起了新宇宙觀下計算質能關係的數學框架。

當愛因斯坦最終調整好相對論的數學體系，準備計算真實世界的數據時，他選擇了一個距離恆星頗近的行星：水星。在當年11月11日到18日間的那一周的某天，他把數據帶入公式。二十四步計算後，他得到了答案。水星的軌道、所謂的火神星引起的軌道偏移以及其他一切，全部都在這張紙頁上得到了解釋。他寫道，「這個理論與觀測完全相符。」

愛因斯坦因此知道自己是對的。他曾告訴一個朋友，當他看到水星從他的公式里「跳脫」出來時，他感覺心臟都停止跳動了。他告訴另外一個朋友自己「高興極了」。沒有必要等待日食發生，這也是為什麼他曾說，如果英國人帶回來的數據「錯了」，「我會為上帝感到遺憾，因為我的理論是對的。」

一個世紀以後，我們在此讚美廣義相對論以及愛因斯坦對於宇宙運行方式的全新想像。如今的火神星只是天文學史上一個微不足道的註腳。儘管如此，火神星還是有它的用處。與人們對科學產生的迷思不同，事實並非自發、孤立的存在，它們的意義產生於人類對其進行闡釋的過程，存在於人類對其進行闡釋的框架下。多虧了火神星，否則人類幾乎無法將認知的視野從「理因如此」拓展到「事實為何」。

人們將火神星視作真實存在的那幾十年，代表了人們幻想中的科學進程與真實科學的日常進程間的巨大鴻溝。火神星的傳奇故事可能是一個最貼切的例子，它證明了在一片雜蕪中找到決定性的觀測結果是多麼困難，但這並不是唯一的例子。

大陸漂移學說背後弔詭的地質學以及化石的證據，助長了人們對其長達半個世紀的抗拒；悉達多·穆克吉（Siddhartha Mukherjee）在《眾病之王：癌症傳》（The Emperor of All Maladies）這本書中記錄道，人們對「治癒」一種被誤解的疾病的執念，使得整整一代人對癌症的複雜性視而不見；物理學家花了幾十年才弄清那些證明光速不隨觀測而改變的實驗——那時，只有年輕的愛因斯坦正兒八經地拿這些實驗當回事，並且從中歸納出了他的第一個相對論理論。

從長遠來看，這是一條真理：現實會對任何理論的對錯進行終極的權威裁判。但目前（或者任何時候），科學意義的彰顯過程總是痛苦和漫長的。生於1859、死於1915年火神星並非一則軼事，對我們來說，它是個警示。

原文鏈接：

http://www.theatlantic.com/science/archive/2015/11/science-doesnt-work-the-way-you-think-it-does/414744/