三个世纪以来物理科学的思路开展Word文档格式.docx
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它們之間有什麼為媒介？
探討這樣的問題，向來是人類最感興趣的事情。
然而心靈是什麼？
大家很難有共識，因此不易從這個方向來討論生命的科學觀。
如果我們能從物理科學的思路發展上，將物質層次的觀念稍作認知上的提昇，與意識的層次互相連結，心物互動的生命奧妙，或許可以被揭露。
本文想回顧近三百年以來物理科學的思路開展，企圖找到心物合一的可能線索，以幫助我們解釋生命的宏觀現象。
二、牛頓集大成的運動學
延續亞里斯多德、伽俐略等人所留下來的物理科學，經過牛頓全面的思索和整理，對於物體的運動他終於集成著名的三大運動定律。
1687年出版的《自然哲學的數學原理》的書中，他闡述物體的慣性、力與運動、作用及反作用等運動三定律。
慣性定律在說明物體的動靜本性，任何物體在沒有外來的作用下，會一直保持它原本的動靜狀態。
這種慣性隱含了質量的概念，在《楞嚴經》中則稱這種慣性為「質礙」。
慣性定律對物體動靜的辨識，同時也隱含了參考的坐標，以及等速度和靜態的相對關係。
第二定律是在因果律的概念推理下，界定物體的受力（F），此力導致它的運動產生變化量（dp/dt線動量的變化率）。
彼此有成正比的關係，即所謂F=dp/dt的公式，後人簡化它的條件，改寫成F=ma，這個公式中的a是質量m的物體受力後所具有的加速度。
第三定律是作用與反作用定律，它在說明兩物體之間施力和受力的互動關係，即作用力和反作用力同時發生、大小相等、方向相反、在一直線上分別作用在對方，所以不會彼此對消掉。
有了牛頓這三個定律，所有生活上所接觸到的物體運動，幾乎都可以理解和掌握。
然而更進一步從物體受力的作用，想當然爾必有某種不知名的東西轉移到此物體上，由這樣的想法出發，於是引進了功與能的概念。
所謂作功就是一個力如果影響物體的運動速率，則此力即對物體作功。
功就是力加諸在物體上的作用量，它會等於物體的動能變化量。
能量的概念和計量，成為了解現象的新思路，這樣的思考模式使運動現象的認知，提昇到更理論化的結構上。
於是在數理學家的共同努力下，應用正則方程式和變分法，就建立起哈密頓力學（HamiltonianMechanics）。
這樣的理論發展，推動著動力現象的高階思惟，讓力學的認知與數學有了緊密的結合，從數學的推演中可以預料現象的發生，形成物理科學決定論的思想發展。
牛頓在1687年《自然哲學的數學原理》的書中，另一項重要的貢獻是寫下萬有引力定律。
這個定律在說明，任何兩物體間由於質量所產生的吸引力，與質量的大小成正比，與相對的距離平方成反比。
配合前述的運動三定律，於是天上星體的運動，一如地上物體的運動，毫無天壤之別，天體與地物的動態，從此統整在相同的定律下。
因此人體的身軀在地球上，雖然小得不見影跡，卻可以藉著這些定律的推算，得知星空中遙遠和無數星體的動態，牛頓的努力大大拓廣了人類對宇宙的認知範圍，使人的心靈知覺能夠縱橫在千萬里的太空中。
三、「天道好還」是真的嗎？
冷熱的知覺是生物與生俱來的本能，早在15世紀的達文西（L.DaVinci,1452-1519），以及在1593年伽利略都曾發明過溫度計，可是直到1760年布萊克（J.Black,1728-1799），才將溫度和熱量的概念分開來，用溫度代表物體的冷熱程度。
後來，倫福德（CountRumford,即B.Thompson,1753-1814）發表摩擦可以生熱的實驗，而戴維（H.Davy,1778-1829）於次年提出熱是物體微粒振動的證明。
於是熱量從原先的物質觀，轉而成為能量的觀念。
既然熱（heat）是能（energy）而非物質（matter），那麼對物體作功轉換成熱能，這中間的轉換比例又是多少？
焦耳（J.P.Joule,1818-1889）從四百多次的實驗裡，終於測量出這個比例值，我們稱它為熱功當量（1878），獲得這個值前後歷時40年。
焦耳的結果告訴我們，功和熱是可以彼此轉換的能量。
凱耳文（WilliamThomson,即LordKelvin,1824-1907）在1851年更進一步，明確說明如今稱為內能的物理量，是用來描述物體的狀態所需要的能函數，這個認知再促成1842年梅耳（R.Mayer,1814-1878），以及1847年赫姆霍茲（HermannvonHelmholtz,1821-1894）分別都提出熱力學第一定律，也就是能量轉化和守恆的根本概念，直到如今此定律還是物理學認同的基本定律。
可是反過來想，熱能轉變成為能夠做事的功，是否也可以達到百分之百轉換呢？
比焦耳的功熱轉換還早半個多世紀，在1824年卡諾（S.Carnot,1796-1832）即已提出所謂「卡諾循環」，以描述熱能驅動的循環機所能表現的機械效率。
於是，形成了克勞修斯（RudoffJuliusEmanuelClausius,1822-1888）對於冷凍機，以及凱耳文（LordKelvin,1824-1907）和普郎克（M.Planck）對於熱機，分別提出了等義的熱力學第二定律。
熱力學的第二定律在說明什麼呢？
它告訴我們宇宙的熱能，並不能完全回復為功，在一個循環過程後，總有一些熱能我們用不到它。
熱功這樣不對等的轉換現象，從玻耳茲曼（LudwigBoltzmann,1844-1906）的統計力學來看，宇宙的總體亂度必然會逐漸增加。
所有的物理系統在熱力學第二定律的指示下，都表現同樣的趨勢，即給宇宙帶來更大的亂度。
對於生物體的生理，以亂度增減的觀念來看，薛丁格（ErwinSchroedinger,1887-1961）在《生命是什麼？
》的書中，說到生物的新陳代謝可以減少體內的亂度，生物體能在飲食作息之間，能讓生理混亂的信息撥亂反正，恢復它比較有條理的狀態，每天的活動和休息，生物體內的生理即呈現一治一亂的變動規律。
如此有規律地小幅度變動著，直到死亡的一刻到來時，這個治亂更迭的變化，才往亂的方向一去不復返。
所以養生保健的目的，無非在使某些混亂的生理信息，恢復它應有的條理。
在認知愈趨向微觀時，我們會發覺所有宏觀的系統，其實都是由許多極小的粒子所組成的，每個粒子都不斷地在運動。
如何把眾多粒子的動態，統計成宏觀的狀態表現？
這是上個世紀已至本世紀中，許多科學家所關切的問題。
1827年，布郎（R.Brown,1772-1858）發現懸浮在液體中的微粒，一直持續胡亂運動的現象，給分子運動論找到了有力的證據。
1846年，瓦特斯頓（J.J.Waterston,1811-1883）從分子運動論的假說，推導出理想氣體的狀態方程式，並且提出能量均分在各相度的定理。
1858年，克勞修斯引進了氣體分子的自由路程概念，以描述分子間的空間自由區。
1859年，馬克斯威爾提出氣體分子的速率分布律，讓我們了解分子的運動雖然看起來很混亂，可是它們的速率分布，其實還是亂中有序的。
玻耳茲曼（LudwigBoltzmann,1844-1906）對馬克斯威爾的氣體分子速率分布定律大感興趣，他試著從統計學的概念掌握各種系統的分子速率分布，於是他獲得了重要的玻耳茲曼分布定律，建立起統計力學的基本架構。
他把能量做有限份量的切分，以進行統計的分析。
當各份量的值小到趨近於零時，份數即趨向無限大，玻耳茲曼的分布就變成了馬克斯威爾的分布，這種能量的有限量的分法，後來被普郎克用來做為能量量子化的假說。
在進一步的研究裡，玻耳茲曼發掘任何氣體的系統，當它趨向平衡態時，即會趨向馬克斯威耳的分布。
他找出一個量稱為H值，隨著系統的趨向平衡而接近一最小值，這個認知被稱為H定理。
它說明系統的過程是有方向性的變化，這就相當於熱力學的第二定律。
後來，他寫下有名的數學式，一個系統的熵（entropy）與該系統組態數的對數值成正比。
熱力學第二定律所描述的自然趨向，就用總熵值趨向最大值來表示。
我們終於了解宏觀的現象是不可逆轉的過程，百餘年來的科學，畢竟弄清楚了「天道不好還」的事實。
四、馬克斯威爾的無中生有
雷電交加隨時都發生在地球上，這樣平常又浩壯的自然現象，過去的人認為是天威的告示，可是透過庫倫定律（1785）的說明，讓我們明瞭這是陰陽電互相吸引達到中和的現象，即使是在實驗室裡，也可以用人為的方式仿造出來，天威雖然依舊雷霆萬鈞、威力懾人，可是比起以前可親近得多了。
電荷的聚集和流動不僅見諸於大自然的現象，在生物體上也屢見不鮮，伽伐尼（AloisioGalvani,1737-1798）在青蛙腿上就發現了電流所引起的抽搐（1780）。
隨後伏特（AlessandroVolta,1745-1827）利用化學物質的堆疊，做出了能產生穩定電壓的電池，掌握到電壓推動電荷形成電流的認知，也讓其他研究者察覺到生理機能，可能是許多電性的機轉。
在偶然間，奧斯德（HansChristianOersted,1777-1851）發現電流會影響導線旁邊的磁針，使它發生異常的偏轉。
這項無意間的發現，揭露了電磁本一家的關係，也就是電荷運動會產生感應的磁場。
藉著電流產生磁場的強弱，即可度量電流的大小，安培（AndreMarieAmpere,1775-1836）為說明這樣的關係，於是從兩個電流環的相互作用中，寫下了安培定律，它描述了磁場受電流的大小及布局的影響。
也由於電流的磁效應發現，1826年歐姆（GeorgeSimonOhm,1784-1854）才寫下電路的基本定律，就是我們現在所說的歐姆定律（Ohm’slaw）。
電動既然能夠生磁，就在此時思維敏捷的法拉第（MichaelFaraday,1791-1867）立刻想到，反過來是否也行得通？
磁動能生電嗎？
在他的巧思所安排的實驗裡，磁鐵的運動或磁場的變動，果然在線圈中感應出電流來，推動電流的感應電動勢，就等於在回路中抗拒磁力線數變化的值。
電磁相生的統整，到此已毫無疑義，電磁的動力學也應運而生。
從電磁相生所引發的應用，不僅讓人類能控制電磁的變化，更重要的是對於能源的運用，產生了全新的轉變，人類從此擁有非常便捷的能源，直到如今電磁能仍然是最好用的能源。
現代人的生活能有如此大幅度的改善，不能不歸功於電磁現象的發掘，由於有了它，才促成了人類整體活動能力的躍升，開創出全新的電力時代。
在許多研究結果的彙集下，馬克思威耳（JamesClerkMaxwell,1831-1879）一再思索和統整電磁的問題，終於在1864年提出了電磁場的方程式組，用四個方程式完備地描述了電磁場的性質。
他更進一步推導出電磁波的存在，發現其速率和光速相等，因此他預測光是一種電磁波。
這樣的統整和進展，為如今的光學奠定了電磁的理論基礎，將光的現象統整入電磁現象中，這是繼電磁整合之後，再度獲得的光電統整。
馬克思威耳的電磁波推論，在23年後經赫茲（H.Hertz,1857-1894）的實驗，量到了電磁波的波速確實就是光速，證實了馬氏的電磁波理論。
電磁波存在的確證，使人類了解靠近地球表面的虛空中，不僅有肉眼不可見的空氣，還有五官無法感覺的電磁波，這些波動隨時隨地都以光速在奔馳往來。
赫茲在他的實驗裡，也同時發現了光電效應，為量子力學找到了微觀世界的現象。
如今我們已經能妥善地掌握和運用電磁波，建立起全球的溝通網，甚至在星際間飛行的太空船與地球的訊息，也都是應用電磁波來溝通，把廣袤的太空和地球緊緊的連著。
「天涯若比鄰」不再是想入非非的玄奇幻想，而是在真實的生活裡常用的通信方式。
如今的人類活動，無論哪一種行業的活動，都藉電磁波的溝通而活絡地發展著。
我們每一個人的知識、視野、活動和能力，跟著開闊和提昇，如今的生活若突然沒有電磁波的溝通，已經是行不通的時代。
馬克斯威耳的成就，足以與牛頓的貢獻互相媲美。
五、光的奧祕
光學是很早就研究的學問，遠在公元前中國就有《墨經》《反射光學》《光學全書》等的著作。
直到荷蘭的斯涅耳（W.Snell,1580-1626），從實驗得到光的折射定律，幾何光學才建立起來。
光的色散是牛頓利用三稜鏡做實驗，讓陽光通過三稜鏡投射在牆壁上，才認識到光具有彩虹樣的光譜。
光到底是什麼？
它的成份是什麼？
光的本性什麼？
大家都想弄清楚，笛卡兒和虎克（RobertHooke,1635-1703）主張波動說，而牛頓傾向於粒子說。
荷蘭的物理學家惠更斯（C.Huygens,1629-1695）發展波動說，解釋了波的交會、干涉和繞射的現象，所以十七世紀末以後，光的波動說略佔上風。
到了十九世紀，1808年馬呂斯（E.J.Malus,1775-1812）發現了光的偏振現象，以及馬克斯威爾的電磁波推論被赫茲實驗證明以後，光是一種波動的認知已無庸置疑。
可是就在赫茲的實驗裡，他發現了光電現象，光線照在化學活性很好的金屬表面，能夠立刻從金屬擊出電子來，跳離金屬的表面，這樣的現象無法用光波的理論解釋，後來愛因斯坦引進光子的概念，卻圓滿地解釋了這樣的效應。
緊接著各種光量子的實驗結果，一再顯示光的粒子說，許多微觀現象能夠用粒子說圓滿詮釋，用波動說反而不能做到。
光到底是波動還是微粒的探索，揭開了量子力學的序幕。
光是藉什麼介質在空間傳播，則輾轉譜出特殊相對論的篇章。
物理學在二十世紀一開始，就綻放光芒萬丈的榮景，好像百花齊放的郊野。
光線不僅照亮所有生物的視野，在可見光以外的紫外線和紅外線更兼顧著生物的生理和生存。
我們對於陽光的需求十分殷切，本世紀末，許多人在探討營養學時，談到維持生命的基本要素，經常只注意到食物、水和空氣，忘記了陽光的重要性，很多人在報導和廣告的薰染下，甚至極力在迴避陽光的紫外線，這是現代人多麼不健康的養生觀念。
光既然是波動，他的輻射自然受波源移動速度的影響，這個現象稱為都卜勒效應。
在到天體的觀測都卜勒效應的應用，讓我們明瞭整個宇宙，現在還處在膨脹的動態，於是才有大霹靂說的揣度和驗證，塑造成今日的宇宙觀。
1948年，伽伯（D.Gabor,1900-1979）提出全息照相術（Holography），使底片能重現實物的反射波前，讓觀察者如見實物般立體，所以又被稱為立體照相術。
全相術所形成的底片，無論裁成多少碎片，每一片都能映出原來的實物本相，並無被割裂的現象，所不同者只是視角和亮度稍微有些差別而已。
全相術這種特性，給我們的啟示是局部含有全部的資訊，在生物體上也能發現類似的特性，例如經絡的分布，眼耳鼻舌身足，都各自擁有全相似的布局。
其實，這也和碎形學所揭示的圖形，具有「大中有小、小中有大、層層相似、重重無限」，幾乎是如出一輒。
1954年湯恩斯（C.H.Townes）等人，成功地製造出受激輻射的微波放大器，形成脈射（MASER），後繼者梅曼（T.Maiman）在1960年做出了第一台雷射發射器，從此光電相關的科技突飛猛進，形成今日耀眼無比的光電文明。
六、愛因斯坦的天馬行空
1905年愛因斯坦提出特殊相對論，震驚了本世紀的科學界，因為他將牛頓的力學概念，推向能夠涵蓋近乎光速運動的現象，拓展了動力學的認知範圍。
在牛頓力學中許多的物理量，自然成為特殊相對論中的近似解，根據特殊相對論的認知，人類可以理解和掌握到高速、非感官經驗的現象規律。
愛因斯坦提出特殊相對論，並沒有推翻牛頓的力學，只是擴張了牛頓力學的適用範圍，讓物理的視野更為寬廣而已。
其中最發人深醒的是從特殊相對論中，導出質量和能量可以互換的結果，讓世人的耳目為之一新，從此以後人類了解到，質能原來是一體的兩面，兩者可以互相轉換，也可以將兩者的認知統整為一。
特殊相對論有兩個基本的假設，一個是對於描述物理現象的數學式子，在所有的慣性座標系裡，都會保持固定的型式；
另一個則是設定光速不受任何慣性坐標的速度影響，它是絕對的不變量。
但是更直覺來說，特殊相對論與牛頓力學最基本的差別是在時間的認知上，在牛頓的心中，時間就像穩定的長流水，不受任何現象的左右，獨自從過去平穩地流向未來。
但是在愛因斯坦的心目中，時間不是這樣絕對的東西，它會受到觀察者本身的運動狀態的影響，出現伸縮不定的變化，因此他見到了異於牛頓力學的運動現象。
實驗的結果告訴我們，愛因斯坦的推斷是對的，這說明本世紀的時空觀念，已經從過去的絕對性，轉變為現今的相對認知，時空的變動無法各自互不相干，時空交織在一起才能正確說明自然現象，所以四維的時空觀，成為我們認識自然現象的基本概念架構。
到了廣義相對論要說明星體的動態，愛因斯坦所提出重力的概念，已被四維時空的扭曲度所取代。
廣義相對論比牛頓所提的萬有引力定律，能算出更精準的星體運行結果，也就是可以用時空的扭曲度，來替代引力的思惟。
愛因斯坦這樣的思路開展，後來讓近代的天文物理學，有了前所未有的視野提昇。
七、普郎克點燃了燎原的星星之火
自從牛頓用三稜鏡分散出陽光的七彩以後，光譜的研究成為大家關切的問題，可是許多物體的輻射光譜，偏偏用已有的光波理論無法解釋。
根據狹縫繞射和波干涉的實驗，以及馬克斯威爾（J.C.Maxwell）的電磁波理論，好不容易從光粒子的觀念，修正為光波的理論，馬上就碰到物體輻射譜的難題。
普郎克（M.Planck）想借玻茲曼（L.Boltzmann）在上個世紀，所創立的統計物理學概念，來解決物體輻射譜的難題。
於是他試著將輻射波以粒子的想像，寫出了波所具有的單位能量等於一個（普郎克）常數乘以波的頻率，同一種輻射波不同能量即此單位能量的整數倍。
說起來也很巧合，普郎克用這樣的計量能量法，竟然妥貼地解釋了物體（常稱為黑體）輻射譜的分布。
這樣的結果，就連他自己都難以置信。
將輻射波視為一個個的粒子，原只是權宜之計，誰料到如此一擲，竟然與實驗的結果吻合到天衣無縫的地步！
此粒子被稱為量子，輻射波的能量可以看成許多量子的集合，這對經典的物理觀可謂天旋地轉的改變，任誰難以置信。
可是偏巧這時候，波耳（NiehrBohr）、愛因斯坦（AlbertEinstein）、康普吞（A.Compton）等科學家，一再引用相同的量子概念，都完美地解釋了原子能階與光譜的關係、光電效應和X光散射等問題，這使得電磁波的粒子性，不僅沒有被摒棄，相反的更為人們所接受。
從此以後物理學的量子論，就介入了原子世界的探索，從宏觀的光譜研究裡，原子世界的動態被栩栩如生地描繪出來，展現在人類的眼前，讓我們的認知似乎可以隨心所欲，深入無間的小世界裡，造成了本世紀初期，物理學發展的高度熱潮。
過不了多久，德布羅格里（L.V.deBroglie）推導出運動中的物體，也具有對應的波長。
換言之，宏觀的實質物體在運動時，也具有波動的性質。
這是多麼不可思議的推論結果！
可能是真的嗎？
然而確證的實驗緊接著找到。
以電子束射入晶體的散射分布，完全可以用德布羅格里的換算波長，以波的繞射機轉正確詮釋其結果，其他的人陸續用質子、中子所作的狹縫和晶體繞射實驗，一一都證明德布羅格里的推論是正確的，也就是這樣的波是存在的。
量子論發展到此地步，發現經典物理認為是波動的東西，具有粒子的性質，反過來認為是粒子的東西，運動起來也具有波動的性質。
到底物理學上所能量度到的東西，應該是波呢？
還是粒子？
妥協的想法是兩者都有，這就形成現在所謂的波粒二象性（Wave-ParticleDuality），任何東西都具備波動和粒子的雙重性質。
至於何時表現波動性或粒子性？
則完全取決於我們如何去認識它，不同的認識方法，會看到它不同的面像。
根據波動的想法，薛丁格（E.Schroedinger）寫下了原子世界的波動方程式，創立波動力學；
而海森堡（W.K.Heisenberg,1901-1976）則根據光譜的強度和頻率二維數集，創立了矩陣力學。
兩者都是等價的量子力學，可以解出許多原子世界的狀態，讓我們能抽絲剝繭般了解其中微妙的機轉，讓過去的量子論走上量子力學的架構。
這門新學問的影響極其深廣，因為它涉及物質的基礎結構所遵循的規範，所以促成後來相關科學突飛猛進的發展，現在有數不清的科技文明產物，包括電腦、網路通訊、光電科技、材料科學、化工、生物工程、醫學工程等等，都與量子力學的詮釋和應用有著密切的關係。
當時在本世紀初所建立的量子力學，會給本世紀末的科技文明，帶來如此繁榮的程度，恐怕很少人能想像和預料得到吧！
八、固態物理的蓬勃發展
跟隨量子力學的發展腳步，固態物質也獲得充分的發展，其中尤以半導體的進展和影響最為深廣。
現今蓬勃的半導體工業，以及電腦資訊業，正是固態物理高度發展下的各種產物，如今它已全面影響或改造了人類的生活和認知。
在半導體的研究裡，固體物質內無數運動的電子，被能帶（energyband）分布的概念，整理出電子群的活動規律，讓我們理解導體、半導體和絕緣體的物性差別。
由此規律可以解釋許多實驗的結果，也發展出各種半導體元件和晶片，促成當今電子、通訊、網路、光電等科技的高度發展。
能帶的觀念對於生物體而言，雖然不能全盤搬過來應用，因為生物體的物質構造，不像固體有穩定的結晶狀結構，它會隨著狀況而流轉異動。
但是在某些範圍或層次，卻具有液態晶體的排列特性，這些或許可以用能帶的觀念，整理出生物體內紛紜的電子和離子群的活動，以掌握其生理機轉。
要用這樣的方法切入生理學，波動的概念可以比較完整掌握到生理的功能。
某些物質的溫度在下降至臨界點以下時，突然會從常態的導體變成超導體，也就是帶電粒子在超導體內運動的阻力全然消失，好像所有的粒子在外電壓的驅策下，能在超導體中如入無礙之境，能夠直奔向前而不損耗能量。
這種現象和歐姆定律所看到的電路耗電現象大相逕庭。
1957年，巴定（JohnBardeen）、庫伯（LeonN.Cooper）和胥力弗（JohnR.Schrieffer）三人所提的BCS理論，雖然能解釋低溫超導體的現象。
但是對於後來的高溫超導體，卻依舊不知其所以然。
拋開微觀的庫伯電子對（Cooperpair）的解釋超導現象，在超導體中的電子個別動態，若以波動來描述，則每個電子都是個波。
在臨界溫度以下，電子的數目雖然很多，卻宛如一體，都統整成非常協同的（coherent）一個波群，貫穿整個超導體，無前無後整個波群就像一個剛體一樣，此動即彼動毫無阻力或障礙可言，因此形成自然界奇妙的超導現象。
其實，液態氦在臨界溫度以下的超流現象，也可以用相同的概念來理解。
九、揭開二十世紀物理科學的新景觀
本世紀以前，物理科學的發展帶給人類滿懷的信心，從許多精確的實驗掌握裡，人們信誓旦旦，以為自然的奧秘，不久即將全部揭曉，依據的理由是因果不爽的機械觀，一旦知道原因，那麼結果必然可以預期，一切現象就能了然於胸，這形成了所謂決定論（Deter
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