大人的物理學：從自然哲學到暗物質之謎

我們有關物理世界的眾多發現 都是人類成就的巔峰之作 物理學代表人類最富雄心壯志的求知努力。 　　「深入探究大自然，你就會更了解萬事萬物。」──愛因斯坦 　　物理學是支持其他所有學問的根本科學，也是我們用來探索實相的工具； 　　其目標是要解釋宇宙從星系到次原子粒子是如何運作。 　　物理學的歷史，從古希臘人開始，他們首先提出物質是由看不見的原子所組成，經過阿拉伯人的探索，文藝復興和啟蒙時代科學家一連串的嘗試和錯誤，固執的堅持，以及突然閃現的天才靈感，途中還經歷了各式各樣的迫害、困難，及危險。 　　繼《大人的哲學課》、《大人的地圖學》、《大人的心理學》後，安‧魯尼的《大人的物理學》追溯物理學的發展歷程，從古代世界的自然哲學家，一路探究到量子力學的最前沿實驗。 　　本書內容包括： 　　● 物質的本質，最早在2,500年前首次以原子理論來解釋。 　　● 光和光學──從單透鏡到光的波粒二象性。 　　● 質量和力──駕馭能量和質量來為我們工作。 　　● 量子力學的詭異次原子世界。 　　● 我們對星辰的迷戀，就是這份沉醉激發出最早的科學思想。 　　● 我們周遭的宇宙，從大霹靂到遙遠星系。 　　《大人的物理學》從物理學最早的開端，到現今最先進的發展，揭開整個宇宙運轉背後的迷人祕密。通順流暢的文筆，配上精美的全彩圖片，並詳述各階段物理學的重大發現，及著名物理學家的軼文故事──從阿基米德到牛頓和伽利略，乃至於居里、愛因斯坦和霍金。

緒論：宇宙之書 第一章：心物之辯 第一位物理學家？ ●原子物質和元素物質 ●固態物理學的誕生 ●原子和元素 第二章：讓光發揮作用──光學 最早的光學研究 ●掙脫黑暗 ●波前和量子 ●新的曙光──電磁輻射 ●以光速行進 第三章：運動中的質量──力學 力學的運用 ●動力學的問題 ●古典力學正式誕生 ●空氣和水 ●讓力學發揮作用 第四章：能量──場和力 能量守恆 ●熱力學 ●熱和光 ●發現電 ●電磁──電和磁的媒合 ●其他波 第五章：深入原子內部 解剖原子 ●量子撫慰 ●瓦解星散 ●古典原子的末日 第六章：伸手摘星 星辰和石塊 ●從觀測到思索 ●地球會動──舊論再現 ●看不見的變成看得見 ●伽利略，研究宇宙的大師 ●編纂天空的目錄 ●迢迢遠距之外 ●恆星的祕密生活 第七章：時空連續綿延 簡述時間的沿革 ●一切都是相對的 ●回到開端 ●從宇宙蛋到大霹靂 第八章：未來的物理學 打掉重做 ●接下來到哪裡找物質？

導論 宇宙之書 　　「除非先學習認識著述成宇宙之書的語言，否則書本內容是沒辦法理解的。宇宙之書是以數學的語言寫成的，而它的文字則是三角、圓和其他幾何圖形，缺了這些，人類就完全不可能理解書中一字一句，缺了這些，我們就只能在黑暗迷宮中遊蕩。」 伽利略，《試金者》（The Assayer），1623年 　　物理學是支持其他所有學問的根本科學，也是我們用來探索實相的工具；其目標是要解釋宇宙從星系到次原子粒子是如何運作。我們有關物理世界的眾多發現，都是人類成就的尖峰代表作。《大人的物理課》追溯人類嘗試解讀宇宙之書的軌跡，探尋我們如何學習並使用文藝復興時期科學家伽利略‧伽利萊（Galileo Galilei, 1564-1642）所描述的數學語言。這本書還坦露，我們知道的仍是多麼有限──我們掌握的整個物理學，約只處理宇宙的4%，其他96%依然是個尚待解答的謎團。 　　物理學的誕生 　　實驗法發展出現之前，早期科學家──當時他們號稱「自然哲學家」──運用推理來認識他們身邊的事物，並設想理論來解釋萬象。由於天體似乎都運行跨越天空，我們許多前輩歸結認定，地球乃是位於宇宙中心，萬物都繞著它旋轉。 　　少數抱持不同看法的人，必須想出良好論點來駁斥常理解答，而且兩千年來，他們都寡不敵眾，有時還遭人譏諷甚至迫害。 　　許多迷信和宗教信仰，都根源自我們對所觀測世界提出的解釋。好比太陽是由一位超自然馬車夫駕車載著橫越天空，所以才有日出現象。就另一方面，科學則努力尋找所觀測現象的真正本質和起因。就我們所知，古希臘人是最早嘗試以觀測與推理為本來設想解釋，並取代神祕與迷信解釋的民族。最早不仰賴宗教信仰來嘗試解釋自然界的第一人，有可能是泰勒斯（Thales），不過第一位真正的科學家，或許是徹底奉守經驗主義的希臘思想家亞里斯多德（Aristotle, 前384-前322）。他認為，經由仔細觀察和測量，我們對支配萬物的定律，就能產生一定的認識。亞里斯多德是柏拉圖（Plato, 約前428-前347）的弟子，他遵循演繹路徑（見框盒），也相信單憑推理，人類就能解答宇宙奧祕。亞里斯多德奉守「歸納推理」；亦即從觀測世界入手進行邏輯思考。他掌握了科學方法的開端。 　　儘管亞里斯多德並沒有提議進行實驗，不過他倒是倡言，應該針對一項課題全面探究先前的所有著述（依現代用詞稱為文獻探討），進行實驗觀察和測量，接著運用推理來歸出結論。 　　希臘人最早把科學區分為不同學科。亞歷山大港（Alexandria）的偉大圖書館設計出最早的圖書目錄，而這也就是亞里斯多德所稱任何考察都不可或缺的文獻探討之基本需求要件。 　　從經驗主義到實驗 　　隨著希臘化時期（Hellenistic age，古典希臘文明高峰期）踏向終點，以科學方法來認識自然界的做法也逐步衰頹，直到第七世紀阿拉伯科學崛起之後，情況方才改觀。才華橫溢的伊本‧哈桑‧伊本‧海什木（Ibn al-Hassan Ibn al-Haytham, 965-1040）發展出一套與現代實驗法雷同的程序。首先他擬出個問題陳述，接著經由實驗來測試他的假設，解釋資料並歸出一項結論。他採行一種懷疑的質問態度，並認定做學問必須有嚴苛控管的測量和研究體系。其他阿拉伯科學家更就此增補識見。阿布‧拉伊汗‧比魯尼（Abu Rayhan al-Biruni, 973-1048） 知道，不完善的儀器或不可靠的觀察者，會帶來錯誤和偏差。他建議，實驗應該反覆數次，綜合個別結果來得出一項可靠的結果。拉哈威（Al-Rahwi, 851-934）醫師導入同儕審查的概念，主張醫事人員應該記載他們所採步驟，開放供其他地位相當的醫師審閱──不過他的主要動機，是為了避免因執業過失遭受懲處。阿布‧賈比爾（Abu Jabir, 西文另拼為Geber, 721-815）是率先為他的化學領域導入受控實驗的第一人，還有受歐洲人尊稱為阿維森納（Avicenna）的伊本‧西那（Ibn Sina, 約980-1037）則斷言，演繹應該以歸納法和實驗法為本。阿拉伯科學家很看重一致共識，往往把不獲旁人支持的邊緣構想剷除。 　　然而伊斯蘭教的發展，終究是妨礙了阿拉伯科學家的求知進程。對世界心懷質疑，逐漸被視為一種褻瀆神明的活動，彷彿那是窺探神明手法，意圖違犯神聖奧祕的作為。虔誠的（或敬謹的）穆斯林科學家能做的活動，都經過圈限劃定。伊斯蘭自然哲學家拋棄的科學求知火炬，隨後便由中世紀信仰基督教的歐洲學者拾起。 　　阿拉伯科學和亞里斯多德的作品，到中世紀時已經翻成拉丁文譯本並流入歐洲。十二世紀文藝復興時期的作者，開始把襁褓中的科學方法，整合納入他們自己的研究，來滋育這種求知方式，不過起初仍沒有挑戰傳統權威。英國方濟各會修士羅傑‧培根（Roger Bacon, 約1210-約1292）是最早提出質疑，認為不該對古代著述無條件接納的人士之一。他還倡導應該針對已經確立的理念重新予以檢視。他尤其著眼於亞里斯多德著述，認為他的理念在眾多領域都經採信為絕對真理是不對的，並主張就他的諸般結論進行檢驗。亞里斯多德無疑會認可運用實證做法來重新評估並質疑他的著述。就培根本人的科學方面，他奉行的模式是先根據觀察結果來建構一項假設，然後進行實驗來檢定那項假設。他重做他的實驗，來驗證自己所得結果，接著還把他的做法鉅細靡遺記載下來，這樣其他科學家就能詳細審視他的論述。他稱實驗法是「自然的紛擾」??（vexation of nature）。他表示，「我們藉由自然的巧妙紛擾學到的東西，超過我們經由耐心觀察所得收穫。」 　　另一位姓培根的是英國律師暨哲學家法蘭西斯‧培根（Francis Bacon, 1561-1626），他提出了一種新的科學研究途徑，並在他的1621年《科學新工具論》（Novum Organum Scientiarum, 英文名The New Organon of the Sciences）書中發表。他認為實驗結果有助於釐清矛盾理論，協助人類向真理邁進。他宣揚歸納推理是科學思想之本。培根制定出一套步驟，擬出觀察、實驗、分析與歸納推理程序，這套做法經常被視為現代科學方法的開端。他的方法從一個消極面??（negative aspect）入手──擺脫「偶像」心態或經認可的見解──進展到關乎探索、實驗和歸納的積極面??（positive aspect）。 　　科學革命 　　儘管培根是最早構思出這種方法的第一人，伽利略卻早就採行了一種相仿的實驗途徑。伽利略大力擁護歸納推理，他知道，複雜世界的經驗證據永遠不會與理論的純淨特性相符。他思忖，一項實驗不可能把所有變項都納入考量。舉例來說，他認為他的重力實驗永遠沒辦法排除空氣的阻力作用或摩擦力。然而，把做法和測量標準化之後，只要反覆進行一項實驗，或許也可以讓不同人來做，最後就能得出一組結果，並得以由此推出普適的結論。伽利略對實驗法深具信心，甚至願意賭上他的聲望，在1611年公開進行一次實地示範，來解決一項爭議。他和比薩（Pisa）一位敵對教授相持不下，爭辯相同原料（因此密度相等）的物體的形狀，是否影響它們能不能在水中浮起。伽利略向那位教授挑戰，建議公開進行實地示範，並表示他會站在實驗結果這邊，另一位教授沒有現身。 　　科學社群 　　隨著對科學的興趣與日俱增，從十七世紀開始，歐洲各地也因應出現了各式科學社群。這些組織為科學對談、實驗和發展提供了一處焦點核心。最早成立的是義大利猞猁之眼科學院（Accademia dei Lincei, 英文寫成Lyncean Academy），由熱愛科學的佛羅倫斯富人費德里科‧切西（Federico Cesi）創建。切西才十八歲時便認為，科學家應該直接研究自然，不該仰賴亞里斯多德哲學為指導方針。最早一批學院成員共同居住在切西的宅第，由他供應書籍和一處配備齊全的實驗室。學院成員包括荷蘭醫師約翰內斯‧埃克（Johannes Eck, 1579-1630）、義大利學者吉安巴蒂斯塔‧德拉‧波爾塔（Giambattista della Porta, 約1535-1615）和──最著名的──伽利略。學院最興盛時擁有散居歐洲各處的32名成員。學院在1605年聲明其宗旨是「求知認識萬物並累積智慧 … 向民眾冷靜宣揚 … 並不帶來任何傷害」。儘管如此，那個團體卻遭指控施行妖術，違犯教會信條，還過著可恥的生活。 　　猞猁之眼是個深具個人風格的大膽嘗試，切西在1630年死後，學院也很快就偃旗息鼓。接著佛羅倫斯的實驗學院（Academy of Experiment）繼之而起，在1657年成立，由伽利略生前兩位弟子，埃萬傑利斯塔‧托里切利（Evangelista Torricelli, 1608-47）【譯注】和溫琴佐‧維維亞尼（Vincenzo Viviani, 1622-1703）協同創建。這個學院同樣很短命，十年過後，就在1667年解散，約正當科學發展中心從義大利移往英國、法國、德國、比利時和荷蘭之際。