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物理是造物者的詩章

文 / 李彥甫    
2001-07-01
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物理是造物者的詩章
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在這不太科學的年代,電視上充滿靈異節目、網路上流傳星座算命、還有人深信隔空抓藥的神力之際,居然有人可以對物理發出由衷的讚美,真可謂是亂世中的清流。

更可貴的,這樣的清流是出自一老一少的口中。

第二屆亞洲物理奧林匹亞競賽日前在台北舉行,台灣學生代表拿下四金一銀的成績,八名參賽學生全部獲獎,如此成績固然值得欣慰,但得到個人第一名的科學園區實驗高中蔡欣妤,更說出令人難忘的感言。「物理很美,」蔡欣妤的結論很簡單,她從國中就開始漸漸發現物理「很美」,自己一頭就栽了進去,只要遇到不懂的,總會想盡辦法弄懂,這種費盡千辛萬苦、終於瞭解後的快樂,筆墨無法言喻。

物理學大師、第一位華裔諾貝爾獎得主楊振寧最近在清華大學演說,談的也是「美與物理學」。他從「風格」談起,從美學觀點替物理下新註解——「物理是造物者的詩篇」。

數學解決許多無解

他說,物理方程式和詩一樣,用最濃縮的語言,描述所有自然界現象,而且隨時孕育新生的意義。即使已年過七十,楊振寧並未停下思考的腳步,隨時探究物理的結構詩篇。

物理學發展不外於實驗、唯象理論、理論架構和數學四個過程,不同的物理學家會有不同的風格、不同的靈感泉源。楊振寧這幾年談到物理之美,總是以二十世紀偉大物理學家狄拉克與海森堡為例,後者遵循傳統的實驗、唯象結構等步驟,前者的靈感卻來自對數學直覺的欣賞和獨創的能力。

海森堡二十六歲時寫了一篇經典論文,解釋一塊大磁鐵與分解成許多小磁鐵的現象,引發科學界研究量子力學的興趣,解決牛頓傳統力學的不足,引領另一波的量子力學革命,也才有今天的半導體、電子通訊等高科技演變。

但特別強調數學與物理之間關係的楊振寧,卻尤其推崇狄拉克(P. Dirac),因為他的理論簡單卻具邏輯性,一如「秋水文章不染塵」;即使反對狄拉克方程式的海森堡,到了晚年,也不得不承認數學對物理的重要,因為數學解決許多唯象結構不能解決的問題。

楊振寧甚至借用唐代高適的詩句「性靈出萬象,風骨超常倫」,以「出」與「性靈」形容狄拉克直指奧秘的靈感。

「狄拉克方程式」是建立原子分子結構的基礎,狄拉克當年憑著喜歡簡單、直接和原始思考方式,偶然寫出此方程式,一度因太有創見,遭到同行批判。數年後,方程式獲得證實,科學界更進一步推演出「電子軌道與磁矩的相互作用」「負能問題」「反粒子理論」,也因此發現「正電子」等影響當代物理學的重大成果。

在楊振寧的觀點中,重要的物理方程式其實是用最濃縮的語言,描述所有自然界現象,就像「造物者的詩篇」;而且內涵隨著物理學的發展,還會產生當初未曾想到的新意義,例如,重要的麥克威爾方程式直到二十世紀初,還被愛因斯坦發現其對稱性,深深影響二十世紀的物理學。

對於物理學包羅萬象的特色,他也借用詩人布雷克(W. BIake) 的詩句總結:「一粒砂裡有一個世界,一朵花裡有一個天堂,把無窮盡握於手掌,永恆寧非是剎那時光。」(註:陳之藩譯句。)

而楊振寧談到數學與物理時,總以「兩片在莖處重疊的葉片」形容,重疊的地方同時是二者之根、二者之源。這樣的形容,也對人文學者有所啟發。中研院院士、歷史學者許倬雲也曾比喻人文與科學有其同根同源之處:兩者都是人類心智分離而又疊合的兩個園地,學科的界線其實是暫設的,而許多學術的術語,其實不過是我們為了方便觀察而設計的視角而已。

與楊振寧觀點相近者,更有著名的物理學大師費曼。在台灣,費曼的物理系列科普著作可說是個奇蹟,閱讀人口相當多。如果這些科普閱讀人口真的都能體會「物理之美」,台灣的科學教育就有希望了。

在《物理之美─費曼與你談物理》(天下文化出版)這本書裡,費曼特別以一個章節談「物理之美」,又用了一個章節談物理與數學的關係。

費曼開宗明義就說,所謂「物理定律」,其實也就是大自然的「律動和模式」,他選擇的例子是重力理論,也就是重力現象。多數人在國中物理課本中已學過的牛頓力學定律,曾被稱為「人類心靈所達成過最偉大的推論」。簡單地說,重力定律描述兩物體之間相互影響的力;這個作用力的大小與兩個物體之間距離的平方成反比,另一方面又隨著兩個物體質量的乘積而變化。

力學定律還有一個描述:物體受力以後,會以加速度(運動速度的變化)回應加諸於它的作用力,回應的程度則與它本身的質量成反比。

因為簡單而美麗

重力定律之美,正是它可用上述如此簡單的數學方程式,描述宇宙間複雜的現象。當然,後世偉大的物理學家如愛因斯坦,根據相對論原理,對重力定律做了修正,但基本上仍不脫「簡單之美」的特性。

如此簡單的定律,在電學現象中又再度出現,重力與電磁力是兩種不同的力,卻可以套用相同的平方反比定律,不能不讓人嘆服它的美麗。

費曼的結論也很簡單而美麗,「因為物理定律是簡單的,所以它是美的。」他當然也強調,形式雖然簡單,作用卻是複雜的。

數學家兼文學家布羅諾斯基(J. Bronowski)在其著作《人類的攀登》中寫道:「牛頓或愛因斯坦這一類的天才之所以成為天才,原因是他們能問很簡單明白的問題,找到簡單明白的答案,而答案卻是驚天動地的。」

自古以來,無論中外,詩一直成為文學中最簡單的呈現方式,它的文字雖然簡單,卻能呈現人類心靈最美的部分;而物理也能用最簡單的形式,描述大自然律動之美。楊振寧形容物理是「造物者的詩篇」,真是再恰當不過。

「但是,在探索物理之美的過程裡,人類似乎還缺少一些東西。」楊振寧很坦白地說,也許還缺少一些神聖感及畏懼感,缺少看見宇宙奧秘而心生畏懼的感受。或許,這就是當代許多人都無法體會物理之美的原因吧。(作者是資深科學記者)(專欄言論不代表本刊立場)

本文出自 2001 / 07 月號

第181期遠見雜誌

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