在这里,我们先提一个基本问题:在十七世纪古典力学开始发展以前,有没有撞球游戏呢?
答案是:有!根据历史记载,在十四世纪时的欧洲,撞球运动已经成为宫廷贵族的流行活动,当时没有任何理论根据,可是人们凭着人体的直觉已经在玩撞球游戏。这个问题提醒我们:
“现代科学是先有现象的发现,再有科学理论的发展。”
所以,客观地说,应该是古典力学成功合理地解释了撞球现象,而不是没有古典力学就没有撞球运动,这是基本发展关系的思考逻辑。这可以用来说明,不经思考便认为某种现象是迷信、是伪科学,这类的思考模式本身就不是科学的逻辑思考。事实上,只有“伪现象”而没有“伪科学”,也就是说,某些现象的出现确实是人为假造的,它们也做出了误导的结论,但这并不能称之为“伪科学”,因为科学是一种对真实现象的认识,伪假并不在其探讨的范围内。另外,“科学”更不是绝对真理的代名词,重点是现象的真实程度,只要是真实的现象,只有解释错误或者停留于无法解释,不能称其为“伪科学”、迷信,迷信不算是科学活动的用词,以迷信、 “伪科学”等绝对否定式的思考模式,本身是不科学的。因此,我们有必要从现代科学发展的精神,也就是自然科学思考的角度来回顾一下“科学演进的历程”,所谓“现代科学”是西方自文艺复兴时期,对于自然界、宇宙的各种未知现象,透过观察后,归纳演绎,推理假设(假说),然后实验证明(定理、定律)这些现象在某种时空条件下的规律性。
科学在不同范围下所认识到的各种规律,自然都会受到该范围的局限,因此简单地说,越不随着时间与空间变化,代表着愈广愈真实的规律性。在自然科学发展的过程中,人类从目视可见的事物范围开始探索研究,包括星系、天体、乃至宇宙,进而再到十九世纪末开始探索微观原子的世界。就以颗粒大小为例,从一个苹果的大小开始,巨观到地球、太阳、银河系,甚至更多庞大星系组成的可观测宇宙,其直径有150亿光年,就像古人所形容的“其大无外”,大到我们无法知道到底有没有宇宙的边缘;另一微观方面,从细胞、分子、原子到质子、电子、夸克,到甚至可以轻松穿过星球、电磁场的中微子(宇宙中每一个质子,就对应有 1,000,000,000个中微子),对所谓基本粒子的探索,现代科学也发现似乎是无穷无尽,越小的粒子反而得建造越巨大的仪器设备来探测,同样是“其小无内”。而这些结果,似乎与古印度、古代中国人的认识不谋而合。
就从眼睛看得见的苹果谈起,当年苹果掉落打到牛顿的头上时,苹果会往下掉的现象是个真实的现象。当牛顿想了解为什么苹果会往下掉、研究到底是什么力量拽拉苹果往下掉时,不论他做什么假设──神的力量、树枝的斥力、根的吸力……一个懂科学思考的人不会说他是在搞迷信,也不会以“这有什么好研究的,只是自然现象而已”的这种否定态度来对待。科学的思维会开始探索:苹果真的会往下掉?在英国苹果会往下掉,那在美国呢?北极呢?赤道呢?其他东西也往下掉吗?铁锤与羽毛也往下掉吗?铁锤落得会快一些吗?如果苹果在月球上呢?在太空中呢?现在这样,过去呢?未来呢?这样的一连串观察、思考就让我们人类发现了古典力学的规则性。所以以长度区分,从一个苹果直径0.1公尺到地球直径 12,756,000公尺,这样的球体运动似乎都能适用于古典力学。
根据古典力学,我们能设计人造卫星绕行地球的轨道、周期,能计算该卫星所需要的重量,能设计飞机、太空梭克服地球引力升空,当然也能设计盖建摩天大楼、云霄飞车。从这里我们不难看出来,在牛顿力学的认识范围内,古典力学也等于有了预测能力,许多工程技术其实都是预测结果的展现,所谓的设计,其本质上的意义不就是预测吗!从法国的艾菲尔铁塔(西元1889年)到美国胡佛水坝(西元1936年);从汽车公路到电车铁道;从海上轮船到空中飞机──在地球这个重力场中,这一次次的预测,建造了一项项人类的现代文明。
从巨观的角度来看,在牛顿时代,我们在地球上已经能算出光的速度每秒约走3×108公尺,所以面对像宇宙这样更宏大的天体时,人们发现,得用更大的尺度──得用光的运动尺度“光年”来描述距离。“光年”为光走一年的距离,相当于3×108×365×24×60×60=9.46×1015公尺,比如距离太阳系最近的半人马星座为4.2光年,银河系的直径为12万光年,距离地球最远天体星系是120亿光年,这涉及更大质量的重力场与时空变化,已经超出古典力学的观察,很多现象都解释不了了。所幸上世纪初,出现了另一个充满想像力的年轻人,有一天他骑在脚踏车上时,想像自己像光一样穿梭于空间中,这个世界会是什么模样?他这一想,便想出了相对论,这个根据古典力学的预测,把现代人类对空间与时间、质量与能量的认识,大大地往前推进了一大步,可以说改变了整个现代的人类世界。
美国《时代》杂志选出的“二十世纪风云人物”,并不是什么政要富商,正是这位改变历史的科学家──爱因斯坦。当代的科学家透过太空望远镜观测到了宇宙黑洞,观察到庞大宇宙有85%以上不可见的暗物质、暗能量存在,庞大的天体很可能是多维空间,也就是四度、五度、十几度,甚至几十度的多重空间,只有三维认识的人类看宇宙,其实很可能只认识到一层“影子”。于是,站在相对论的基础上,科学家又提出像大爆炸理论、超弦理论、膜理论等多维时空理论来重新认识我们所观测的一些宇宙现象。而这都是古典力学认识不到,解释不了的现象。另一个极端尺度,就是微观的原子、原子核、电子、质子、中子,甚至更小的像夸克、中微子等的微观世界。
这个范畴用的尺度就是埃(Angstrom,10-10公尺)或现在最流行的奈米(nanometer,10-9公尺),甚至用到(picometer,10-12公尺)为单位。一般的原子大小约为3A或0.3奈米,中子、质子就更小了,约10-6奈米。这真是个既狭小又广阔的世界,为什么这样形容呢?假如把原子放大到像一个足球场,我们会看到原子核就像是足球场中心放了个高尔夫球般,这个世界对人来说狭小到肉眼、最精密的仪器都无法直接观测,但却又是辽阔而空旷的空间。二十世纪初期,当科学家开始透过间接方式观察这个微小的世界时,发现古典牛顿力学根本使不上力,于是“量子力学”应运而生,“测不准原理”(Uncertainty Principle)则是这个微观世界的基本游戏规则,这又是个变幻的多维空间,挑战人类的思想。那么,什么是量子力学?什么叫“测不准原理”呢?
量子力学,简单说就是“统计力学”,再简单一点就是玩骰子、算机率;“测不准”就是我们无法同时测出微粒子的精确位置与速度。以原子内的电子为例,为什么以变幻来形容,严格来说,我们根本不知道电子在那里?是怎么运动?所以描述电子用的是“轨域”的概念,意思就是电子在不同固定区域出现的机率,不同区域代表电子不同能量状态,如果我们能用肉眼看电子,会看到电子像孙悟空能分身般,同时出现在很多地方,可能一下子出现在这儿,一下子出现在那儿,这就是为什么测不准,为什么叫统计力学,因为电子的波动特性,量子力学用的波函数就是统计机率。
这现象俨然又像个缩小版的多维空间,确实会让三维空间概念的人产生迷惑,所以量子力学发现了微小粒子都有波粒二重性,也就是说微小粒子有波动的特性,像光波,有能量,有频率;也像小球粒,有质量,有碰撞现象。打个比喻也许读者们可以比较容易懂:如果把电子当一个人,它像一个练就一身忍术的忍者,当我们偏重粒子性时,比如真去抓个电子来看一看时,就会发现抓到的像是具尸体,虽然可以知道电子(忍者)的位置,但是死的忍者在原子里练功夫时是在笑或是哭,它是个侠义剑客还是冷血杀手,精神层次无法得知,就是电子的能量状态测不到了。
一旦我们想了解电子的能量(速度),就像是想看清忍者的表情,想了解他的个性,这时会发现它忽东忽西或是像有分身术般,同时出现好几个忍者,分不清楚他在哪里或是哪一个才是他。这就是量子波动力学,波的强弱决定粒子出现机率,一切以机率计算。波动方程式的创始人薛丁格(Erwin Schrodinger)有个著名的例子,叫“薛丁格的猫”,光讨论猫是活猫、死猫,恐怕一般读者会思想混乱,传统的观念是非死即活,就两种情形,但薛丁格的猫既是死的、也是活的,量子世界死活并存,简单的说,就是不同尺度的世界对存在的概念也不相同。
相对论与量子论发现后,根据这些理论预测所发展出来的科技,真是颠覆现代人类的生活。原子弹、核能科技让现代人类拥有巨大能量,甚至有足以瞬间毁灭人类的能力。量子化的现象更让科技应用有突破性的发展,像雷射、半导体、超导体、电脑技术等数位化科技,带动发展生化科技、太空科技、电讯电子科技、奈米科技等等,都是科学家脑中假想、预测的实践。
现代科学是如何预测的呢?我们可以举个明显有趣的例子,根据相对论物体的运动速度对时间会产生变化,所以科学家就发现地表与人造卫星会有些微的时间差,因为卫星相对运动速度大于地球表面,由于速度变化相对于光速而言,这些变化太小,差异就不明显,科学能预测差异做出适当的修正。一旦物体以接近光速进行时,这时候时间就不再是个绝对值,我们的思想重新调整了,所以美国好莱坞拍了很多像回到未来、回到过去的电影,这不再仅是幻想,而是有科学理论依据的预测。如果人体能以光速飞行,大概不会再大叹光阴无情,于是逝者不再如斯,“大江东去,浪淘尽,千古风流人物”也将成为“黄河西返,古今风流人物同登时间舞台!”时空概念会出现截然不同的变化,过去、现在、未来的时间轴会变成像一条高速公路一样,人们沿途浏览风光不再是只能以一个方向、一定速度往前开,而变成是可以开快、可以开慢,甚至回转掉头往回开。一个光速的生命能把人类的历史,从舞台剧变成像3D电影般,一切人物都是栩栩如生,置身其中也是逼真动人,但不一样的是这个观众会像光一般,所以会出现演员看不见观众,不知道观众正在观赏他的演技,不再像舞台剧般是演员观众台上台下的画面。
另一个很大的差异是3D电影可以不按时间顺序去看,它可以从中间看,也可以忽快忽慢观赏精采片段,而舞台剧只能随着时间人去楼空。读者如要体验光速世界,恐怕得让头脑先做做暖身操,因为时空景象会出现巨大变化,不只是像坐云霄飞车,心脏有巨大承受力便可以,体验光速世界,头脑概念恐怕会先承受巨大冲击,我们现在的生活经验与观念也可能会出现完全不适用的情况。所以读者也许会发现连观念本身也发生变化了,过去我们认为怎么可能回到未来,现在我们首先该思考的已经不是能不能回到未来的问题,而是人体能不能以光速进行,才是问题所在。
再举个例子,我们都以为光是直线进行,遇到不透明物体会被遮蔽、会反射,所以有明暗阴影的现象发生,也因而构成了我们生活环境中多采多姿美丽的景象。但在地球上是这样,到了宇宙太空,这情景就发生变化了,爱因斯坦的相对论有次成功的预测,透过实验被证实了:当光遇到像太阳这么大的质量所形成的重力场时,会受周围扭曲的时空场影响,这时候光会出现弯曲行进的情形。1919年5月29日非洲有日蚀现象出现,英国的科学家到了非洲实地用望远镜观察日蚀时,发现位于太阳背后的恒星并没有因此被遮蔽,而是曲射产生偏移的现象,光真的转了个弯(如下图所示)!爱因斯坦的预测被证明是正确的,如果在牛顿时代,有人提出光线遇到不透明体会弯曲行进,恐怕会被踢出科学的殿堂之外,即使在爱因斯坦当年提出预测时,许多人也是持怀疑的态度。
爱因斯坦根据他的认识提出预测,科学理论本身就是预测学。其他领域的科学也是有同样的特性,像化学的酸碱理论,当酸(氢离子)遇上碱(氢氧根离子),我们很自然会预测有盐类与水分子生成。这个现象到了人体内,酸的作用就变化多端,除了酸碱中和外,还有催化分解作用、分子聚合作用、缓冲平衡效应,预测就必须考虑反应条件等其他因素,单纯的酸碱理论便不适用了。另外,像数学里的加法就是一门标准的预测学,懂1+1=2就能预测359+286=645,能预测任何数字相加,于是不知不觉中我们往往把1+1=2当成真理了。可是换个时空条件,1+1不一定等于2了,例如在太阳表面,1+1=1,一个氢原子加一个氢原子成为一个氦原子,这是太阳表面每分每秒不停在进行的加法。从这个角度看:科学理论本身就是预测学,因为掌握某种层次的理,某种的时空范围的规则性,才能准确预测未发生的事。
--转自正见网《预言中的今天》
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