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科普書的題材可以深入嗎?《宇宙的顫抖》書評

科普書的題材可以深入嗎?《宇宙的顫抖》書評

文/歐柏昇(臺大天文物理所研究生)

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傳說中有這麼一句話:「世界上只有兩個半的人懂相對論。」這句話的背景,是在相對論發展之初。到了今天,相對論已經被普遍理解、應用,怎會只有兩個半的人懂呢?

然而,除非出身於物理相關科系,一般人很難有機會較深入地了解相對論。一般人聽到相對論,是又敬又畏,心想那是天才愛因斯坦想出來的東西,「我怎麼可能看得懂」!不僅是相對論,物理經常被認為是「難」的學問,人們避之唯恐不及。事實上,「難」的學問很多,為什麼偏是物理給人猙獰的形象呢?一大原因在於,物理用到太多數學的語言,沒有幾年功夫,實在不好掌握。不懂數學語言,根本沒辦法看懂物理書。

避開數學式子,就不能深入談物理嗎?

物理書一定要用數學語言表達嗎?當然不一定。很多科普書,早就避開數學式子,以自然語言描述物理概念。然而這類書籍多半有一個現象──為了避開數學,乾脆直接避開那些需要大量數學來描述的概念了。結果就是,只能講到物理理論的外皮,沒辦法講到真材實料的物理,讓人參透箇中滋味。

小朋友看的科普書籍,總是敘述相對論、黑洞、弦論有多麼神奇,非常引人入勝。因此許多人小時候對物理都有莫名的嚮往,想要接近這些很「酷炫」的大師級學問。然而年齡稍長,一旦想要更深入認識這些物理理論時,卻發覺科普書講的內容,沒有比小時候知道的高明多少。若要讀貨真價實的物理書,卻受限於數學,根本無法掌握。最後,人們隨著年齡成長而漸漸失去對物理的憧憬。

李傑信先生著作的《宇宙的顫抖──談愛因斯坦的相對論和引力波》一書,即嘗試解決這樣的問題。李傑信在自序中談到:「坊間介紹愛因斯坦相對論的科普書籍,內容不是太過簡單,就是太過深奧,兩極分化嚴重。」避開數學語言的書籍,往往只能講到相對論的外皮;要深入談物理概念的書籍,卻又總是無法避免眾多的數學。李傑信說明,《宇宙的顫抖》與以上兩類書籍不同,而是走「中間路線」。

所謂「中間路線」,實則把知識的鴻溝打破,利用簡單的語言,敘述貨真價實的相對論。李傑信毫不迴避地,把專業相對論書籍才會談到的概念,通通轉化為科普文字。這是一項大膽的嘗試,因為要從眾多數學式子之中,淬鍊出可供一般讀者理解的觀念,進而「翻譯」為不需算式的語言,並不容易。張量、共變微分、平行轉移等相對論用到的工具,甚至對物理系而言,都是進階課程的內容。這幾個概念與太多數學技巧糾纏不清,科普書通常選擇避開話題。《宇宙的顫抖》則將它們全部納入題材中,用「伸出觸角」的比喻來描繪彎曲空間的幾何結構,以盡量具象的敘述來詮釋困難的數學工具或物理概念。

誠然,透過原汁原味的數學語言,了解其中描述的結構,才能踏實地操作理論,親身體驗其震撼力。但是,那是物理學家的事情了。一般讀者不需要學會如何操作理論,而是要學會理解和欣賞。能夠操作理論,與能夠欣賞理論,可以分開談論。就像是一般人不會去爬珠穆朗瑪峰,但可以透過照片、透過登山家的故事,來認識山岳的美麗。一般讀者閱讀物理書,同樣是經由物理學家登峰造極的故事,來欣賞宇宙結構的美麗。

簡單語言的深刻啟發──思維實驗、歷史發展

有時候,不需要算式而能夠描述物理概念時,反而表現出對物理的深刻理解。愛因斯坦有許多「思維實驗」即是如此,《宇宙的顫抖》書中就花了不少篇幅來談。所謂思維實驗(或稱思想實驗),並不是真正執行的實驗,而是通過假想的實驗場景,辨明物理的真相。書中所敘述的等效原理的電梯思維實驗、牛頓水桶思維實驗,都不包含複雜的方程式,卻更是精闢點出關鍵的觀點。

《宇宙的顫抖》這本書的題材有足夠的深度,雖然避開了數學算式,但也許受限於篇幅,解說無法鋪陳太多,所以讀者不一定一次看懂所有概念。但是,讀者至少在兩個方面可以得到不少收穫。第一就是從上述的「思維實驗」中得到收穫。讀者咀嚼書中文字之後,可試著在腦海中親自想像一遍這些實驗。以等效原理的電梯思維實驗為例,讀者可以設想自己就是電梯中的乘客,能否體會愛因斯坦的「等效」呢?思維實驗蘊含深刻的原理,如能仔細理解書中所述的思維實驗,也就能掌握許多理論的精髓了。

讀者容易得到的收穫,第二個方面則在於物理學的歷史發展。書中從「牛頓的蘋果」說起,鋪陳古典物理的背景。接著談到邁克遜-莫里實驗發現光速恆定,從實際的歷史發展,帶領讀者思考1900年前後物理學的危機與轉機。順著歷史發展讀下來,讀者得以了解,狹義相對論到廣義相對論的一路發展,是在愛因斯坦的洞見及許多人的幫助下才得以完成。

愛因斯坦無疑是相對論的集大成者,但前前後後多少巨人,貢獻都無可抹滅。李傑信在附錄三特別列出「愛因斯坦和他的巨人們」,列出了愛因斯坦和三十二位重要人物。這些人物,有些是愛因斯坦之前的奠基者,愛因斯坦站在他們的「巨人肩膀」上發展相對論,如牛頓、黎曼、馬克斯威;有些是在相對論的發展過程中直接給予愛因斯坦協助,如希爾伯特、閔考斯基、格羅斯曼;有些是在愛因斯坦之後,以實驗驗證相對論的科學家,如2017年諾貝爾物理學獎三位得主。

《宇宙的顫抖》的敘述中,「過程」重於「結果」,細緻描寫了愛因斯坦發展相對論的過程。讀者會看到,愛因斯坦在數學上遇到困難而求助格羅斯曼,而寫出場方程的前後曾與希爾伯特交手。愛因斯坦有他的一套,但他的長處絕非「天才」兩個字就可以說明完畢。愛因斯坦並不是一路順遂,書中第9章的「摘要論文」就是廣義相對論發展中遇到的挫敗、瓶頸。最後一切問題都克服了,但人們不應只看到「結果」,而是也該細細察看過程中的艱辛。

足夠深入的科普,可毫不迴避話題,把物理學的發展寫得更細緻。讀者可以了解,人類到底是如何走向文明之峰。一般人模糊地認知到「科技不斷進步」,卻不了解現代世界的科學、文明從何而來,以及人類如何追求更高層次的文明。一切不是一蹴可躋,愛因斯坦並非靈光一閃就得到相對論,人類文明也非一步到位。

當代讀者可以知道更多!

當代的人們,已站在更多巨人的肩膀上。了解巨人如何站起,是富饒啟發的。而「了解」的主詞,不只是科學家。當科學家的智識增長,一般人不能跟著增長嗎?一般大眾對於人類文明的認識,也應是與時俱進的,至少知道科學「走到哪裡了」,以及「如何走到這裡」。而且當代的讀者,連上網路就可搜尋資料,知識的界線早已打破,科普的推動者不需擔心丟給讀者太深入的題材,而需思考如何以簡單的語言來表達深入的題材。

因此,科普不可能總是侷限在老掉牙的題材當中,把新的物理視為困難而避開,或不敢深入描述。唯有足夠深入的題材,才能讓讀者細緻體會科學發展的過程,並玩味精闢的想法。《宇宙的顫抖》是個突破性的嘗試,期待有更多科普書拋開包袱,試著帶給讀者深入的知識。

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