5. 牛頓的機械宇宙觀 (1666 - 1905)

物理學巨人牛頓小時候有沒有被蘋果擲中就無從稽考，但他奠定了古典物理學的基礎則無庸置疑。他的三大運動定律和萬有引力論令人對世界有新的看法：大自然是由一些基本的法則所操縱，而這些法則既簡單又可為人所了解。例如牛拉車而車會動，是因為牛的力比車與地面間的摩擦力大，所以車向牛的方向加速；假如牛的力與摩擦力剛好一樣大，則車子一是保持均速前進，一是停下來（視乎車子本來的運動而定），而車的速度、牛的力度、摩擦力的大小等，全都可以運用簡單的牛頓力學公式計算出來。又例如月亮公轉，亦可用簡單的萬有引力公式描述。有趣的是，蘋果的掉落也可用同樣的萬有引力公式描述。即是說，存在於天上的物理法則，亦同時存在於地上，存在於我們四周，存在於整個大自然的每一角落！宇宙和人都被相同的一套法則所操縱，宇宙不再超然，忽然之間，宇宙與人的關係親切了許多了。

另一方面，只要我們知道物件在某一時刻的速度和位置，還有它身處的環境情況，就可根據牛頓定律預測它將來的速度和位置。譬如說玩桌球吧，如果我們量度出白球剛被棍子擊中後的速度和位置，加上其他球的位置、桌子大小、桌面摩擦力等資料，就可以計算出哪些球將被碰到、哪些球將會進袋，及每顆球最後停下來的位置。我們知道，世上所有物件都由原子組成，如果有一部超級電腦，將世上每一顆原子的位置和速度都記下來，然後運算，得出每一顆原子十年後的位置和速度，那就可以重組十年後的世界模型，亦即是說，我們可以預知世界十年後的樣子！而這個未來是固定的，因為它完全是由十年前的所有原子的狀態所決定。雖然世上不可能有這麼一台超級電腦，但這個故事反映出一個可怕的事實：未來是既定的。命運早已決定好，即使是有思想的人也不可能改變──別忘記人的腦袋也是由原子組成的，因此人的思想也是既定的。自由意志並不存在，儘管我們以為它存在。

世界就如一台龐大的自動機器，流轉不息，無需外人操作，而且忠實得不會出現絲毫差錯。這就是「決定論」(determinism)的思想，亦即「宿命論」。這是值得高興的，因為未來不再神秘；這也是令人沮喪的，因為人只能順從既定的路走。

這是人類思想史上的一個重大里程碑。決定論的影響力不但遍及世界各地，也遍及往後三個世紀的人。時至今日，仍有不少人抱持決定論的想法。稍後我們將會看到，在二十一世紀的今天，這種想法可能已經落伍了！

6. 宇宙尺度之擴展 (1718 - 1930)

在討論取代決定論的新思潮之前，先來看看人們何時突破了「宇宙就是太陽系加一層星星」的想法。1718年，英國天文學家哈雷(Edmund Halley)發現有些恆星的位置與一百五十年前第谷(Tycho Brahe)的記錄有出入，由此發現有些恆星是會移動的。哈雷想，假如這些恆星的移動速度和地球環繞太陽的速度差不多，則表示它們都離地球極之遙遠（所以看起來動得很慢），並非如一般人所想，星星都是掛在一個比土星軌道稍大的天球面上。而且，如果根據這樣的距離計算其亮度，結果將是亮得和太陽差不多。由此看來，天空充滿像太陽一樣的星體，換句話說，太陽，以至太陽系，可能並非獨一無二！

1785年德國的赫歇爾(William Herschel)首先估計星星所佔範圍的大小，這個範圍現今被稱為銀河系。雖然赫歇爾估算的銀河系直徑比實際小了十倍，但也已將當時人們認識的宇宙尺度擴大了一萬倍。

1755年德國哲學家康德(Immanuel Kant)推測銀河系是一個「宇宙島嶼」，而夜晚看到的某些星雲可能是銀河系以外的另一些宇宙島嶼。康德的創見引領人們脫離本星系的尺度，進入更龐大的空間。這推測直到1925年才給美國天文學家哈勃(Edwin Hubble)証實了。哈勃利用當時世上最大的望遠鏡觀測仙女座星系，分解出其中的造父變星，得出這些星體的距離，藉此知道仙女座星系距離我們有多遠。結果他驚訝地發現，仙女座星系極之遙遠，完全超出了銀河系的範圍，而且是一個能與銀河系相比的龐大星際系統！之後，更多更遠的星系陸續被發現，哈勃甚至將它們分門別類。霎時間宇宙的尺度再大了一萬倍，而人也等於再渺小了一萬倍。

隨後天文學家再發現，星系組成星系團，星系團組成超星系團，而宇宙就是由數之不盡的超星系團構成。可觀測宇宙的半徑，大約是150億光年。

另一方面，科學家們相繼發現比土星更外圍的行星：天王星(1785年)，海王星(1864年)，冥王星(1930年)。太陽系的尺度也不斷在擴展。

7. 愛因斯坦的相對論宇宙 (1905 - ?)

被選為二十世紀最具影響力的人──愛因斯坦(Albert Einstein)當然無人不識，但他的相對論則不是很多人看得懂。相對論有分狹義相對論(Special Theory of Relativity, 1905年發表)和廣義相對論(General Theory of Relativity, 1915年發表)。前者描述物件在高速直線運動時會有何物理變化，後者則進一步將加速度、重力等也考慮在內。相對論提出了幾項令人震驚的事實：

i) 任何運動都是相對的，除了光速──光速是絕對的。光速的值不因光源或觀測者的運動而改變。
ii) 沒有任何物質的速度可以比光速快，而光速是有限的，所以資訊的傳播速度受制於光速(3108m/s)。
iii) 運動中的物件，其時間、長度、質量都會改變，而且速度越快，改變越大。
iv) 質量可以轉化為能量；能量可以轉化為質量（就是著名的公式E=mc2所指）。
v) 任何物質都會令周圍的空間扭曲；物質的質量越大會引致越嚴重的空間扭曲。宇宙中所有物質的質量加起來，令宇宙的整體空間有一定程度的扭曲。

舉個例子，一部林寶堅尼在你面前掠過，你度到它的速度是時速100公里。好，現在你開你的保時捷以時速90公里追它，它的速度自然看起來慢了，相當於時速10公里。可是如果林寶堅尼換成是光（速度是3108m/s），而你的保時捷開到90%光速追它，然後量度其速度，你會預期度得10%光速，但事實上，你會度得100%光速！不論你以甚麼速度與光競賽，光乃是依然故我，高傲地以3108m/s的固定速度拋離你。為甚麼？因為你量度光速需要用到時鐘和尺，而在高速移動的保時捷上，時鐘跑慢了、尺縮短了，最終度得的光速無可避免地會保持在3108m/s。

再舉個例子，太空人甲坐火箭高速飛過地球。在地球的我們，看到火箭縮短了，火箭上的時間慢了，太空人甲的一舉手一投足都顯得很緩慢，有如錄影帶慢速播放。但相對地，在太空人甲眼中，快速移動的是地球而非火箭，地球的形狀變了，時間也慢了，慢動作的是我們。

再舉個例，光速是有限的，所以光從一件物件到達我們的眼睛需要時間。太陽的光需要8.5分鐘才到達地球，所以我們現在看見的太陽，其實是8.5分鐘前的太陽。夜晚看見的星星，其實是她們數年至數千年前的幻影。我們看見的一切都是過去。

以上種種，無不違反了我們的直覺和常識！時間變慢、空間扭曲、質能轉化等，恐怕是我們做夢也想不到的新概念。要命的是，這些都通過了實驗驗証！牛頓的物理定律，只能應用在運動速度低的物體，是相對論中的特例而已。至於牛頓的絕對時間和絕對空間的概念──即使符合我們的直覺──已給相對論的「相對時空」所取代。時間的流動不是處處一樣的，而是因物而異的。你的時間，不同於我的時間。

愛因斯坦的驚世理論一出，大自然突然變得匪夷所思。宇宙並不是人們一直以為那樣的。科學家們不再相信直覺，因為這種東西已欺騙了人類數千年。

另外我們亦意識到，隨著文明的發展，科學理論會不斷被修正，越趨真實。儘管牛頓當時的理論是如此有力，二百多年後還是給相對論取代了。人們都相信，將來愛因斯坦的理論也將被更強大更完美的理論取代，無人敢說自己的理論必定是對的。科學家都不得不謙卑起來。

不過相對論的影響似乎只及科學界，未及一般市民大眾。無他，因為相對論並不容易理解。大部份人都不明白宇宙如何違反直覺，以為絕對時間絕對空間是理所當然。

上文提過牛頓的決定論思想。相對論是支持決定論的，即宇宙是機械式地運作的。決定論牢不可破，直至量子物理學的出現。

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