在二十世紀初，物理學有兩大突破性的發展，完全改寫了十九世紀以前對我們整個物質世界的看法，一個就是我之前提過的量子理論(見「看不見的真實」)，而另一個就是相對論。如果我們想像自己是一個喜歡讀八卦新聞的讀者(我只是說「想像」喲，因為我知道這個部落格的讀者應該都是很有水準的J)，也許我們會很有興趣想要把這兩個對物理定律的重大突破作比較，看看哪一個比較厲害或偉大，或是哪一個比較深奧可怕。對於一個物理學家來說這是幾乎無法比較的問題：前者是關於在一個特定時空下物質的基本運動行為，而後者是關於物理定律因為所處的時間與空間不同而出現的相對性。不過以下我還是先提兩個有趣的觀察滿足讀者一點好奇心：

首先，從科學歷史的發展來看，這兩個革命性的突破除了在時間上相當之外，卻有一個完全不對稱的發展歷史。簡單來說，在二十世紀初歐洲政治與社會正受到第一次世界大戰重創後的那個風雨飄搖年代，「量子理論」(Quantum theory)是由「一群」罕見的天才物理學家們彼此激盪與合作中逐步發展出來，中間出過相關的諾貝爾獎得主連最保守的估計都至少超過一打。但是很奇怪的，與之並稱的「相對論」，從起初的「狹義相對論」到後來的「廣義相對論」卻幾乎全部是愛因斯坦一個人單獨的發展出來的。更無法思議的是，相對論作為二十世紀最偉大的兩個理論之一卻連一個諾貝爾獎都沒得到過！愛因斯坦自己在1921年得的諾貝爾獎反到是他在量子理論中無心插柳的結果。(也許最接近的一次是美國實驗物理學家麥克遜(Albert Abraham Michelson)在1907所得的諾貝爾獎。等一下我們會談到他一個很早期的重要實驗，但那只能算是對愛因斯坦提出相對論的重要啟發之一，而非相對論的驗證。) 如果歷史允許一個編劇家設計一齣舞臺劇來表演的話，愛因斯坦的相對論恐怕會被演成一個被正房欺壓的小怨婦，暗地哭泣於所受到的不公平待遇吧！

        其次，從影響層面來看。對現今的物理學研究而言，量子理論所提供出的研究領域與應用範圍是遠超過相對論的。這很可能是它之所以得著這麼多諾貝爾獎的主要原因。但是反過來說，相對論對於普羅大眾在觀念上的影響卻可能是遠大過量子物理的。例如在人類學或社會學上有所謂的「文化相對論」(Cultural Relativism)與「道德相對論」(Ethical Relativism)。但這些在人文社會科學上的影響多半是對於「相對」這兩個字的誤解，反而變得遠離愛因斯坦相對論原來的精神：其實「相對論」是非常絕對的，而且連其中的「相對」都必須是一種絕對的方式來相對，毫無例外。不幸的是，在二十世紀初真正了解相對論的人太少了，實驗的精確度又還不足以證實愛因斯坦的一些預測，所以這種似是而非的「相對」的精神就似無忌憚地深入到世界上大部分人的生活中。這箇中的原因很有趣，以下會再提到。無論如何，讓我們先對「物理」裡的相對論有一些適當的了解吧！這可能算是人類智能歷史上最富戲劇性與開創性的一頁。

(圖一)文化相對論的始祖，有「近代人類學之父」之稱的法蘭茲‧波阿斯(Franz Boas) ，1958-1942。有趣的是，波阿斯的博士學位所讀的正是物理。

要了解相對論的起源，又不用到太難的數學或物理知識，就不得不先提到「光」這個東西。不管我們願不願意，「光」是我們日常生活中最常見到的東西。即使你閉上眼睛或是對一個盲人而言，你還是會感受到「熱」吧！其實「熱」這個「東西」在其最根本上也就是一種光，只不過是在紅外線的頻率，不是我們人類肉眼可以看得到的。另外像電磁波或無線電波，也是一種光。十九世紀最偉大的物理發展就是馬克士威爾(Maxwell)的電磁學方程式，統一了可見光、熱、與電磁波等關係。(見圖二)

(圖二) 電磁波的頻率、波長與溫度的關係。

由於光是一種波，所以以我們常見的水波、繩波、鼓波等等為例，所以科學家首先就想到應該也是有一種介質來協助傳播，就像水波需要有水，繩波需要有繩子一樣。所以他們把這種傳地光的介質稱作「以太」(ether)。既然我們能看到來自遙遠宇宙的星星或太陽的光，所以這一定表示以太這種物質是存在在全宇宙之中的。這樣的一種充滿宇宙的物質意為著一種絕對的參考系統，可以用以決定何物是真正的靜止，何物是真正的在運動，因為相對於以太而運動的物體必定會感受到一種以太風，正如同船在水裡運動會感受到阻力、產生水波一般。接下去的必定推論就是，當地球以每秒30公里繞太陽旋轉時(沒錯，是每秒，不是每小時，驚訝吧！)，延著地球公轉方向的以太風就應該會使得這方向傳播的光的速度與垂直於公轉面方向的光的速度有所不同。(見圖三)這就相當於在船上看水波的速度語在岸邊看到的不同的理由一樣。當時已知光的速度是每秒30萬公里(對，沒錯，每秒，30萬公里)，所以應該可以產生兩方向上光速約萬分之一的誤差。

(圖三)地球繞太陽時所感受到的以太風。  

所以，我們上面提到的麥克遜先生就想挑戰這個測量上的超高難度的挑戰。他的實驗設計是在先製造一個巨大的蓄水槽，然後在裡面放入水銀。直到水銀表面因表面張力突起於水槽外後，在於其上加上一大塊花崗岩平台。這個花崗岩平台因為有密度比較大的液體水銀在下面撐住，所以可以對微小的震動作即時的調整而保持水平。(見圖四)然後在這平台上面架了一些光學儀器，只要是要讓一道入射光經過中間的分光鏡後分向兩邊的鏡子，再反射回到接受器進行干涉實驗。(見圖五)經過若干的校準，麥克遜可以用這個設備來測量這兩道90度垂直的光程有無速度上的差異。結果令人震驚的是，這兩道光在竟然在準確度調到萬分之一以下時仍然看不出因以太風的存在而產生的差異！這對當時設計這個實驗的麥克遜是很大的打擊，因為他以為是自己的實驗作失敗了。但後來1907年的諾貝爾獎看來還是還了他應有的名譽，不是因為他證明以太存在的實驗失敗，而是因為這個「失敗」，反而扎扎實實地把以太這種想像出來的物質給否定了。也就是說，光並不需要任何介質的存在就可以傳播，而且這個光的速度竟然與測量者的運動速度無關！

(圖四) 麥克遜1887年的干涉實驗設備。

(圖五)干涉實驗的光學設備相對位置示意圖。

在了解麥克遜的實驗結果與意義後，我們要在談到當時從理論上來的一個重大矛盾。就是當時被奉為物理學圭臬的牛頓運動定律與馬克斯威爾的電磁學定律兩者之間有個無法避免的不協調。如果要適當地描述這部分，我們就必須用到一些超過國中程度的數學，所以還是跳過去吧！但是簡單定性地描述一下還是可以的，只要讀者再有一些耐心就會發現那真是非常有趣的。簡單來說，任何一個物理定律都必須是在某個時空座標系統下表達出來的。但在兩個相對等速度運動的系統中(例如地面的人與作在公車上的人)，物理學家發現牛頓運動定律與馬克斯威爾的電磁學定律的表達方法並不能用同一種方式來變換！也就是說，如果在地面上的人所描述的牛頓運動定律是A=B，而在公車上是A’=B’。那A與A’之間(或B與B’之間)一定有一種關係，其專有名詞叫伽利略變換(Galileo transformation)。同樣的，如果在地面上的人所描述的馬克斯威爾的電磁學定律是C=D，而在公車上是C’=D’。那C與C’之間(或D與D’之間)一定也有一種關係，但不再是伽利略變換，而是另一種變換方式，物理上稱作勞倫斯變換(Lorentz transformation)。如果我們容許這兩個定律在不同系統下必須用兩種不同的變換方式，那直接的結果可能就是，當在地上的人看到遠處的一顆雞蛋掉到地上破掉，但在公車上的人可能卻認為它的物理定律不允許這件事會發生！

(圖六) 二十世紀以前科學界兩位最偉大的理論物理學家，牛頓與馬克斯威爾。

這個巨大的差異竟然會發生在人類有史以來(到十九世紀)最成功的兩大物理定律之間，這實在太令人震驚了。要知道，在了解到這個事實之前，當時的科學界瀰漫著一種「物質世界的基本定律已經完全被了解，剩下的只是一些無關緊要的小細節」的氣氛，這其實也相當程度地反應了十九世紀末在歐洲整個社會所瀰漫的一種開朗自信，卻又彷彿有一點「山雨欲來」的詭譎。果然，這個自信在二十世紀初就因為第一次世界大戰(又稱歐戰)而瞬間破滅。

為要協調牛頓運動定律與馬克斯威爾的電磁學定律兩者之間的矛盾，當時科學界普遍認為應該是後者有問題必須被修正，因為牛頓力學的正確性早已被樹立超過兩百年之久，且在一般的生活上就可以被輕易的驗證，而不像電磁學之類的實驗常需要非常精密的設備。但是愛因斯坦這時候以一個默默無名的業餘科學研究者，在1905年首先提出牛頓力學(與其對應的伽利略變換)是如何可以被修正，以滿足勞倫斯變換，這樣便可以統一這兩個定律在時空變換下的不一致的情形。而這篇劃時代的論文也就是後來所稱為「狹義相對論」或「特殊相對論」(special relativity)。(它的廣義相對論(General relativity)要到二十年以後才被發表，要處理有加速度座標系與萬有引力之間的問題。我們現在先不提，以後有機會再介紹。)之所以稱作「相對」論，主要是為要正確地處理物理定律在不同相對運動的時空座標中的轉換方式，以及討論這帶來的結果。從基本上來說，這個相對論必須是建立在以下兩個「絕對」的前提之下：

一、在任何一個慣性座標系中，真空中的光速恆為一個定值，與座標系統無關。

二、任何物理定律的形式在不同慣性座標系之下必保持不變。

        嚴格來說，第一條其實是對「慣性」座標系的「定義」。也就是說，凡事在真空中測量到的光速彼此相同者，那些座標系都可以稱作慣性座標系。用比較常見的情形來看，就是指一個站在地上的觀察者語在一個相對於地面等速運動的公車上的觀察者，兩者相互為慣性座標系，也就是說不管公車對地面運動的速度多快，所量到的光速必會和地面上量到的光速相等！很明顯的，這絕對違反我們平日的直覺，如果是一個氣球在公車鐘靜止，那它豈不一是必定以公車同樣的速度相對於地面移動？這也沒錯，但氣球不是「光」！這個定律只有「光」或電磁波才正確。也就是說，愛因斯坦為了要保持馬克斯威爾電磁學方程式(與其勞倫斯變換)的正確性，宣告牛頓力學(與伽利略變換)的不足之處，主要在於後者並不能正確描述「光」的行為，而「光」是所有測量的必然工具！因此，至少在量測的意義上，牛頓力學的運動方程式是必須被修改的，才能符合實驗的結果。

        圖七表明一個簡單的計時流程如何會因為光速的絕對性而產生改變：發現債地面上的人所量到的「一秒鐘」與公車上所量到的「一秒鐘」真實的長度並不一樣！或用更刺激的方式來描述：如果公車的速度(v)是光速的一半(現在最快的太空船都不到萬分之一哩！)，這代表當公車上的人過了一年以後，在地上的人已經過了一年又56天半！還有甚麼比這種抗老化的方式更好的？也許有讀者會認為這種測量時間的方法只是一種特例，但其實可以證明所有的方法都可以，也必須是，與目前我們所提到的方法相符合。這樣的時間差異也已經由人造衛星上的原子鐘的精密測量所證實。接下去讀者就可以想像，如果連時間都沒有一個固定的標準測量值，那很多很多我們平常以為的現象就會很不一樣了。我們目前在生活上很難發現的原因是因為絕大部分物體的運動速度遠遠地小於光速。

所以「相對論」在表面上看起來是在講不同的人看到的現象並不相同，但是其實背後是有一個「更絕對」的定律在支撐著：不同時空中所量到的時間或空間長度雖然不相同，但是卻必須同樣地遵守一個共同的轉換關係(勞倫茲變換)，不是任意的不同都是許可的。所以如果被使用道一般生活中，或是人類學、社會學的領域，我們常聽到的「因為環境、文化、個人因素不同，所以沒有絕對的對錯，所有的道德都是相對的」本身只對了一半，因為必須把那些看起來「相對的現象」背後所體現的「絕對的原則」找出來，才能真正地理解判斷不同價值體系之間的關係。所以盲目地接受「相對」，其實本身也已經承認「絕對」的存在。只是是以一種自我矛盾的方式壓抑對真理的追求。希望我們也能從這奇妙的大自然中間學習到一種真正的謙卑：雖然每個人所能理解知曉的永遠是有限片面，但絕不放棄或否定對絕對真理的尋求。如果又承認永遠無法因此得到滿足，也就只好向上帝俯伏，承認人類極其的渺小卻常常自大地否認祂的真實。人類啊，你實在很奇怪，不是嗎？