科学笔记高涌泉教授.docx

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科学笔记高涌泉教授

　　　　　　　　科學筆記　摘錄自　科學人　形上集

高涌泉

大霹靂

牛頓如果死而復生，看到後世對於「真理的大洋」的探索，

會對哪些發現最感興奮？

量子論巧妙印證了宇宙的起源

據記載，牛頓在過世前不久，曾這樣回顧他的一生：

「我不知道世界會怎麼看我，但是在我看來，我只像是個在海邊玩耍的男孩，三不五時找到了比較平滑的鵝卵石，或是比較漂亮的貝殼，而覺得很有趣味，可是真理的大洋還是全然未為人所理解地橫臥在我面前。

」我有時會好奇，牛頓如果能夠死而復生，看到了後世在他死後200多年間對於「真理的大洋」的探索，不知他會對於哪些發現最感興奮？

我猜想有兩件事絕對出乎既是光學家也是天文學家的牛頓意料之外：

一是光既有粒子性，也有波動性；二是宇宙不停地在膨脹。

這兩個現象是20世紀科學的大發現，它們分別開啟了量子論與宇宙論兩門學問。

耐人尋味的是，兩者儘管在表面上看起來毫不相干，但骨子裡卻能巧妙的相互印證。

宇宙膨脹這回事是美國天文學家哈伯在1930年代所發現的。

當時哈伯注意到從遠處星系發出來的光，其（吸收）光譜和地球上已知的原子光譜相比，各譜線都有所謂的紅移（redshift）現象，而且紅移程度和星系與我們的距離成正比。

換句話說，來自遠處星系的光，波長都變長了，星系越遠，波長就變得越長。

若以大家熟悉的都卜勒效應來解釋，這意味著遠處星系正離我們遠去，而遠離的速度恰和它與我們之間的距離成正比。

如果各個星系當下正在相互遠離，也就是說宇宙正在膨脹，那麼在過去，星系就必然較為靠近。

假如我們一直將時間往前推，宇宙就應該有個起點，或者說，宇宙應該起自於一個「大爆炸」。

物理學家相信，這個大霹靂的時刻約在137億年前。

那時的宇宙是一團高溫度、高密度的物質；這些物質隨著宇宙的膨脹，會逐漸冷卻，繼而受到重力的影響，方凝聚成星球、星系。

物理學家發現，以傳統時空觀為本的牛頓重力理論無法完滿地描述宇宙膨脹，只有立基於彎曲時空觀點的廣義相對論，才是說明宇宙膨脹的最佳理論。

在廣義相對論中，宇宙膨脹是一種空間本身的膨脹，星系在宇宙中的座標並沒有變動；星系間的距離之所以增大，純然是因為兩定點間的距離，由於空間的膨脹而增加了。

同樣的，來自遠處星系的光，其波長在空間膨脹之下被拉長了，所以會有紅移現象。

前面我提過可以用都卜勒效應來解釋紅移，其實這種觀點不全然正確，只能算是一種簡略的比喻。

以上大霹靂的故事有個令人信服的佐證，這項證據與光的量子性有關：

普朗克與愛因斯坦指出，光波其實是由光子所組成，每個光子的能量和光波的波長成反比；波長越長的光子，所帶的能量就越低。

在大霹靂之初，高溫的宇宙充滿了短波長、高能量的光子（以及其他基本粒子）。

這些光子的波長隨著宇宙膨脹而增長，因此能量（以及溫度）也就不停地下降。

137億年下來，這些宇宙最原始的光子的溫度已經下降到絕對溫度2.7K左右。

人們稱宇宙間這種具有固定溫度的光子氣體（也就是所謂的黑體輻射）為「宇宙微波背景輻射」。

1964年，美國無線電天文學家潘琪亞斯（ArnoPenzias）和威爾遜（RobertWilson）在他們的天線中，無意間發現了這些大霹靂後遺留下來的光子。

他們當時還無法精確地量出背景輻射的能譜，只能得知這種輻射大致的溫度，以及其大致的均向性。

直到10多年前，人們才利用人造衛星完整地測到了背景輻射能譜，它果然極為漂亮地符合普朗克黑體輻射公式。

根據觀測，星系在宇宙中的分佈相當均勻，所以大霹靂之初的高密度基本粒子氣體也應是極為均勻的氣體。

如果不考慮重力，這種狀態的氣體具有極大的熵，但如果將重力考量進來，這種狀態的熵反倒成了極小值。

宇宙與生命的演化，和大霹靂之初這種奇特的起始狀態息息相關。

天地有大美而不言

受過古希臘文明薰陶的人，對於天地之美之可原、萬物之理之可達有十足的信心。

關於科學的用處，有個流傳頗廣的故事：

電磁學大師法拉第被選為英國皇家學會會士之後，英國首相問他那些電磁發明有何用處？

法拉第說：

「首相先生，有一天你將能從中課稅！

」這則故事是法拉第過世後才出現的，有人懷疑其真實性，因為找不到任何可信的記錄足以證明法拉第曾經這麼為首相上過一課。

其實科學知識之大用一直要到19世紀末才有些跡象，所以在法拉第發展電磁學之際，不僅是政治人物不可能有遠見，我懷疑就算是法拉第自己，對於科學是否真能大益於國計民生，恐怕也未必有十足的把握。

即便到了20世紀初，愛因斯坦仍預想不到他的E=mc2竟能影響人類的未來。

法拉第與愛因斯坦絕非為了科學之用而獻身科學。

因此無論科學家是基於什麼理由投入科學研究，「追求真理」必然是重要動機之一，尤其是在科學變成有利可圖的事業之前。

不過要下定決心追求真理，恐得先抱有真理確實存在的信念，同時懷有尋得真理的希望。

不過大自然的真理是人類心智可以理解的嗎？

今天我們不假思索就可以肯定回答是的，因為現代科學已提供了太多的例子在前。

但我每想及早在400多年前，克卜勒在不知邊際的情況下，便勇猛躍入探索之海，用數十年的生命追尋天體運行的真相，總感佩其堅定的信念，卻也驚嘆他沒有空手而歸。

克卜勒、牛頓、法拉第、愛因斯坦的信念是怎麼來的？

《莊子》的〈知北遊〉篇中有一段名言：

「天地有大美而不言，四時有明法而不議，萬物有成理而不說。

聖人者，原天地之美而達萬物之理，是故至人無為，大聖不作，觀於天地之謂也。

」當代美學家蔣勳便曾說很喜歡「天地有大美而不言」這一句，常常引用，後來以「天地有大美」為名出書，闡述日常之美，大受歡迎。

不過，莊子這段話的重點其實在於「不言、不議、不說」這幾個字──大自然是沉默不語的！

所以莊子所言「天地之大美、四時之明法、萬物之成理」若僅是指大自然日出日落、花開花謝、潮起潮落、四季交替等這些人人可見、可感之「美、法、理」，則天地雖不言其實已言、四時雖不議其實已議、萬物雖不說其實已說。

所以我們或許應該把莊子之「大美、明法、成理」詮釋成無法以肉眼、感官觸及的「物理定律」，亦即抽象的柏拉圖理型？

無論如何，莊子說得對，大自然除了給了極隱晦的線索之外，不會主動幫忙想探知天地運行道理的人，因此如想要原天地之美而達萬物之理，其艱難可想而知。

就科學的發展歷程看來，在各文明之中，只有古希臘哲人與受古希臘文明薰陶的一些人對於天地之美之可原、萬物之理之可達有十足的信心，並非常勇猛地要言出天地之大美、議出四時之明法、說出萬物之成理。

莊子的「至人與大聖」雖已原天地之美而達萬物之理，卻因為效法天地之不言不語，以致「無為與不作」，所以我們無從得知這些聖人所原之美與所達之理。

東西聖人之差異大若如此！

愛因斯坦曾感嘆：

「這個世界最令人費解之處，就在於它是可以為人理解的。

」這句話點出好幾個極深奧的問題，首先是大自然為何是有規律的？

其次是我們的大腦何以能夠尋得並理解這些規律？

我們能夠理解大自然一切的真理嗎？

或者是我們只能理解其中一部份？

愛因斯坦一生努力的目標就是想明瞭造物者的旨意，在他之前的克卜勒、牛頓，在他之後的海森堡、費曼也莫不如此。

奇特的希臘理性文明是這種求真信念的根源。

在接觸到西方文明之前，我們完全認同《莊子》〈養生主〉篇一開始所說的：

「吾生也有涯，而知也無涯。

以有涯隨無涯，殆已；已而為知者，殆而已矣。

」如今潘朵拉的盒子已經打開，科學精靈已經現身，不管我們對於求真的精神是否多少還有些陌生，「觀於天地而無為與不作」的日子已然遠去。

以最長的絲線織成的繡帷

與其去問大問題，卻只能得到有限的答案，

不如去問小問題，但能獲得一般性的答案。

由小處著手的做法

不僅適用於科學，

也適用於某些人文領域。

達賴喇嘛在數年前曾出版一本書《相對世界的美麗》（TheUniverseinaSingleAtom），講述他對於科學與佛學的看法。

簡單講，他認為科學與佛學皆是以嚴謹的驗證來追求現實的本質，因此有相同的基本目標，所以「如果科學分析很明顯地指出某些佛學觀點是錯誤的，我們就應該接受科學發現的事實，放棄這些觀點。

」而且「不管每個人對於科學的觀點如何，對於自然世界的了解和對人類生存的事實來說，你我都不能忽略演化論、相對論和量子力學的真知灼見。

」達賴對於科學的這種開明態度讓人耳目一新。

不過我特別感興趣的，是書中提到古代印度佛典中有所謂的「十四無證」，即14個沒有答案的問題，其中包括自我和宇宙是永恆的嗎？

自我和宇宙是變異的嗎？

自我和宇宙有起點嗎？

自我和宇宙既有起點，又沒有起點嗎？

人死後有生嗎？

人死後不存在嗎？

人死後既有生又不存在嗎？

心靈和身體是一體的嗎？

心靈和身體是兩個實體嗎？

這些問題都是明顯的大問題，可說是人人會問，因而也必然出現於其他宗教與文明之中。

雖然這些問題在佛典中找不到答案，然而現代科學其實已開始面對這些問題，某些問題甚至已有了最初步的答案。

為什麼某些「無證」在現代科學關照之下，不再是完全無跡可尋呢？

難道是我們比之前的高僧、聖哲更聰慧嗎？

當然不是！

科學之所以能夠逐漸逼近這些問題，原因在於科學採取「由下而上」的策略。

讓我以伽利略的一段話來說明這一點：

「我認為與其不停地爭論偉大的問題，卻不能獲得一絲的真理，還不如去尋找事實──即便是僅和最不起眼的東西有關的事實──還來得更有價值。

」

擔任過歐洲核子研究組織（CERN）主任的物理學家外斯科夫（VictorWeisskopf）如此進一步闡述這個由小處著手的意義：

「大約在500年前，人類的好奇心轉了個彎，轉向對於物質的仔細實驗。

今天所知的科學正源自於此。

我們不再直接去追尋全面的真理，去解釋整個宇宙，而是試圖獲得部份真相⋯⋯只有當人們限制自己不去追問一般性問題，例如物質是什麼組成的、宇宙是如何出現的、生命的本質為何，而去問有限度的問題，例如物體是如何下落的、水在管中如何流動等，科學才得以開始發展。

與其去問大問題，卻只能得到有限的答案，不如去問小問題，但能獲得一般性的答案。

」

在伽利略的時代，不論你有多大的本事，對於「物質到底是什麼」這類大問題都是無能為力的。

只有到了19世紀，累積了相當的電學、磁學、化學知識之後，人們才能拼湊出原子、電子、質子的概念；也只有到了20世紀，出現大型加速器（例如CERN的大強子對撞機）之後，才能回答「為何會有質量」的問題。

同樣的，也只有在了解分子原子世界的規律之後，才能了解DNA、才能處理「生命是什麼」的問題。

在科學之中，一旦某個問題解決了，就會出現新的問題，如此一小步一小步，我們終於爬到了可以面對「宇宙有無起點」等大問題的高度。

這種從小處著手的做法，不僅適用於物質、生命科學，或許也適用於科學之外的某些人文領域。

例如達爾文便講過：

「任何人只要了解狒狒，對於形上學的貢獻，便會比洛克（JohnLocke，一位大哲學家）來得大。

」今天很多人相信心靈、道德、倫理之類的問題與生物學是相連的，即是受了達爾文的啟發。

對於科學由小而大，又環環相扣的特性，費曼在《物理之美》中有一段話是最佳的闡述，經常為人引用：

「大自然只用最長的絲線去編織她的圖樣，所以其中每一小片繡紋，都能透露整幅繡帷的組織規律。

」誠哉斯言！

伏爾泰與牛頓

伏爾泰憑著他的機敏，成為首先看出如何利用牛頓理論的啟蒙思想家。

法國啟蒙運動的靈魂人物伏爾泰比牛頓小51歲，兩人從未見過面。

伏爾泰最接近牛頓之時是在牛頓的葬禮，當時伏爾泰34歲，由於得罪貴族而被放逐英國，卻因此見證了英國如何以最隆重的儀式尊崇她最偉大的子民。

伏爾泰在流亡英國之前就已展露文學慧根，無論是詩、散文、劇作皆享譽法國。

他在英國待了兩年多，學會了英文，開始接觸培根、牛頓、洛克等人的作品，回到巴黎之後，發表了《哲學書簡》一書，將英國令他驚豔之處，如政府、議會、思想家、對文人的尊敬等介紹給法國人。

伏爾泰在書中〈論培根〉一文裡將牛頓捧為有史以來最偉大的人物：

「如果真正的偉大乃是來自上天賦予的了不起才能，並且能用於啟發自己與他人，那麼像牛頓這種千載難逢的人就真的是偉人了！

那些每世紀都少不了的政治人物與征服者只不過是惡名昭彰的壞蛋罷了。

值得我們尊敬的是以真理的力量統攝人心的人，而不是以暴力奴役他人的人；是理解宇宙的人，而不是破