2013-08-09

星空的思索、夜的盡頭








以今日的視野來重新閱讀五本天文、物理巨擘的經典,導覽天文、特別在物理理論上的發展故事。從托勒密的地心說、哥白尼的日心、第谷的改良地心說,到伽利略的新科學、克卜勒的行星定律、牛頓運動定律乃至愛因斯坦的相對論等。
早期建立天體運行的學者,為了符合觀測,在均輪上加入了大大小小的本輪,其實,理論的發展至今日仍不乏類似的本論,只要能符合量測且可重覆的,就是有效的理論,這也是目前我們用來解釋萬物的現象的方式,一旦觀測的方法與精度更為精緻,當理論無法再符合更進步的實驗結果,不是加上另一個本輪,就是到了需革新理論的時候了。天體運行的理論只是其中一個顯而易見的例子。宇宙常數也等於是愛因斯坦曾加上的本輪。

而今日的光的波粒二象性、量子理論是否也只是如本輪一般?我想。
波粒二象性背後是否有隱藏未發現的因素?
什麼才算是宇宙真實的面貌?始終是大哉問。與其說定律是真實的定義,不如說是對現象的描述也許較恰當?(好像有點實證論的味道XD)

第二篇作者在描述伽利略的《新科學》的相關故事時,提到自1623年起利用日蝕來較量東(明、清時的中國曆法)西天文曆法的較量,西方曆法以8比0完勝,這令我聊想到前陣子的《天地明察》,描述日本的棋士兼天文學家澀川春海創立貞享曆(大和暦,1685)的經過,也是以日蝕預測來決勝負,日蝕真是很有意思的天象,愛因斯坦的廣義相對論預測的光線會受重力場彎曲也是靠日蝕時觀測附近星點位置的變化才得到證明。

(對了,今年據預測會很亮的ISON彗星(但現在預測值一直下修中XD),在最亮的那短期間,因為太靠近太陽了,我們也可以利用人造蝕來觀測,如SOHO 可參考網站
http://www.nasa.gov/mission_pages/soho/index.html)

1992年教宗公開地為當年對伽利略的定罪道歉,不過這遲來的正義已經是四百年後了。今日,我們現在所處的社會已不像舊日價值觀那樣封閉,在自由的、多元的思潮下,不同的思想(譬如信仰以及科學等)大多能有各自的發展與彼此尊重。不太可能再發生教會企圖箝制干預科學思想,或如在古代的中國,私自觀測天象可能被認為有欺君犯上的意圖這類的事。然而,我們可借鏡伽利略此案思考,見自身的成見、僵固的框架或信仰,對於自我創新或反思會造成就有多大的阻力。


人們對伽利略望遠鏡發現木星的四大衛星的事應該非常熟悉,但克卜勒在光學上的研究《折射光學》(1611),說明了望遠鏡的原理,對於他把伽里略望遠鏡的凹透鏡目鏡改成小凸透鏡,成了我們今日廣泛使用的折射式天文望遠鏡系統,對於愛好天文觀星的人們影響也很深遠。除此外,利用其《世界的和諧》中的和諧定律,人們可以從觀測任一行星的公轉週期,推算其距太陽的平均距離,這很有趣。(地球與太陽的距離為1AU,天文單位)

人們稱1665-1666是牛頓的驚奇的一年,在18個月間牛頓悟出了許多影響後世甚鉅的理論,彷彿一位靈感泉湧的詩人。許多科學家其實都有詩人的一面,甚至有些帶有神祕主義。因為如今有許多本質上的問題是科學尚無法回答的。牛頓的《煉金術士》便是其另一面,在其墓誌銘上被刻意忽略的一面,不過在其努力的精神上是與其他方面相通的,今日煉金術士在哲學乃至文學方面已經有了其他衍生的意義,多有鍥而不捨的追求某種信念意思,各行各業都存在有,如果從此正面的精神來看,這個名稱浪漫多了,相信牛頓應不會在意亦被稱為煉金術士。

創意與新理論的誕生在基本上很相似,亦多來自對固有思考模式的突破,能有個人的思考與領悟而非人云亦云(copy cat)。本書結尾的一句話很棒「不假思索就尊重權威,這是真理的大敵。」




Ps.這本書的校訂上出現了一個明顯的印刷錯誤,在出書前似乎也沒發現,也沒有修正,那就是143頁上的愛因斯坦著名的質能互換公式E=MC^2。




2012年7月,歐洲的CERN宣告他們在研究了對撞機收集的一些資料後,有信心証明其找到了自1964年的標準模型前身的其中一種理論,希格斯機制預測該有的希格斯粒子(希格斯玻色子)。這可是自量子物理建立後的重大進展,現在,強核力、弱核力及電磁力可以被一個大一統的電弱理論完整的說明,而因為希格斯粒子的確認,我們也可以說明世界萬物的質量從何而來(希格斯埸的能量對於粒子的作用。)。大霹靂宇宙學的暴脹說,以及依現行的宇宙論為符合實際觀測下,應該存在的神祕暗物質也有了可運用的理論基礎。

現在回顧,1964年左右可說是精彩的一年,費曼著名的《費曼的物理學》(1963)、《物理之美》(1965,演講內容的集結,可視為是前者的濃縮介紹。另有出《費曼的六堂物理學》、《費曼的六堂相對論》,也是《費曼物理學》的精簡版,對象是一般非本科的新生),可說是對該時期之前的物理學及其發展作了一精彩的總結(但有些資訊已經須要更新了譬如高能物理於今日已有很大的進展),當時他還沒有將夸克納入粒子的系譜中,雖然1964蓋爾曼已發表了三個夸克組成中子和質子的理論模型,但那時物理界接受度不髙,且要過幾年後,夸克才被確認發現了(1967〜1973)。而宇宙背景幅射也在那一年被發現。同時,希格斯機制也是在那一年被提出。


隨著對撞機不斷升級,能量不斷提升,美歐之間的競爭亦步亦趨。1983、1984陸續發現了電弱理論預測的W+,W-,Z0粒子,高能物理學、尋找上帝的粒子似乎已成為物理的主流。但要找到希格斯粒子,需要髙出許多的對撞機能量,超導對撞機動輒數十億美金的預算開始使美國社會大眾對此科學實驗的目的與應用產生雜音,導致1993年該計劃被取消(於是,發現希格斯粒子的期望便落在歐洲的CERN的LHC
對撞機上。),個人以為,這可以看成是當時物理「典範」遭受的一次質疑、挫折,只是自1962年孔恩發表了《科學革命的結構》以來至今,科學社群(學術界)與科哲間的紛紛擾擾下的一個事件。

《結構》引起了一翻論戰。「不可共量性 incommensurable」(孔恩認為不同時代的科學觀點無法放在一起比較,因為縱使使用同一個詞彙,它們指的是不同的東西),非累積的發展史(科學史並非是歷時性的累積發展),科學的競爭、「典範轉移」、權威、進步與革新機制,理論與實用性之間的拔河,乃至科哲作為一預算審查者的角色,也被人們熱烈辯論。同一時期,相對性丶不確定性的科學理論被延伸到世界觀等各社會價值體系也引起了不少的辯論。


孔恩認為科學的進展可分為「常態科學」(以過去的科學成就:「典範 paradigms 」為基礎的研究,並趨向專業化,完善化)、「危機」(出現預測以外的異常狀況)、「革命」三個步驟,科學革命就是「把科學家用以觀察世界的觀念網路予以更新」。

孔恩以氧的發現過程來說明「發現」本身難以定義,其與典範的轉移有關,因為在不同的典範下,人們對於發現之物會有不同的看法。

電弱理論本身的發展即是一個隨著不斷的發現來修正典範,以及以典範來預測應會發現什麼的調整過程,一直到約1971年以後電弱理論才差不多完善,在此之前理論建立的過程中,1960年代對撞機發現的弱中性流証據也曾被實驗家誤認為背景雜訊而忽略,發現異常(異於當時典範),但受限於即有的觀念而無進一步究竟。

在天文學中也有很多例子,例如早在1948伽莫就提出了類似的大爆炸理論,但那時並不受到重視,要等到年宇宙背景幅射在1964年被兩名電信工程師誤打誤撞的發現(本來天缐是用在別的測試),大爆炸理論才突然轟動起來成為顯學。
而第一次利用日食觀測星光偏折角的實驗,被某些科學家認為其值有人為刻意修正以符合相對論的可能。則可以視為實驗被當時典範(相對論)影響的例子。

典範的危機並不只是理論本身崩解的危機,還包括與它相關的利益結構,所以,舊典範常因危機會對新的理論(基於各種原因)產生排斥的現象,在今日的社會特別明顯,科學直接的影響就是預算、資源的分配;醫學上,舊藥與舊療法的利益結構、巿佔率將遭到分食。典範的轉移後來也被人們拿來理解歷史學、社會學、經濟學,以及文藝界等的現象的一種方法。

孔恩的「科學家平常並不想發明新理論,而且他們也不容忍別人所提出的新學說」此一說法可能惹惱一些科學家。

孔恩同時主張「只有在認識到牛頓理論是錯的之後,才能接受愛因斯坦的理論」,飽受實証論者批評(實證主義者認為牛頓定律可認為是相對論的在特定情況下的特例),但值得再三細細思考(想想早期那些地心或日心說加上的輪子),雖然孔恩這裡似乎隱含主張各符合觀察或證明的定律之中一定有比較接近「真實」的一個,也就是有「正確性」的絕對標準,我想,問題癥結在究竟要符合觀察或證明到什麼精確度才算是正確?然則,近代,同意實證主義的霍金則對於實證主義有精闢的解釋,是自己目前較容易接受的。

費曼和溫伯格似乎都對哲學頗有微辭。
費曼對科學的某些看法就個人看來,倒是與孔恩是相去不遠的,「每隔一段時間,我們就會在某篇論文中讀到,物理學家發現他們最喜歡的某個定理是錯誤的。那麼,在一個你尚未仔細觀察的領域中,說某一個定理為真,會不會是一項錯誤?但是,假如你永遠不在一個未經仔細觀察過的領域中說某個定理是真的,你就什麼都不會知道。假如你只能在已經觀察過的領域中找到定理,你便永遠不能做任何預測。」《物理之美》(費曼,1965)
費曼在書中談到猜測自然定律的藝術時則說:「我很確定在物理世界中,歷史是不會重演的……原因是,任何的方法,例如『想想對稱定律』或『將數據轉變成數學形式』或『猜猜方程式的模樣』,已是人盡皆知了,而且一直都有人在試著使用。如果你陷入困境,答案不可能是其中之一,因為你早已試過這些方法了。下一回,肯定會出現新的方向。每次我們都會陷進這種太多麻煩、太多問題的情況中,因為我們都在重複使用同樣的手法。但下一種新構想、新的發現,將會建立在一種完全不同的方式上,因此事實上,歷史對我們的幫助並不太大。」

溫伯格甚至在他的《最終理論 Dreams of a final theory》(1992)特地寫了兩章〈給化約主義的兩聲喝采〉、〈反擊哲學〉(其實此書其他部份也帶有許多科哲的味道),其中亦稍微提及孔恩的結構一書,認為自己的科學經驗與孔恩所說的典範的轉移有諸多吻合之處,但他對於孔恩在書中最後說到「我們必須明示或暗示地放棄這個概念,即典範的改變將使得科學家與那些從典範中學習的人們愈來愈接近事實。」表示不以為然。

溫伯格認為自己是「可妥協的化約論者」,他認為「化約主義乃是自然界秩序的一種陳述」,不過此書最引人入勝的地方是在(個人認為)描述物理學家在尋找最終理論(把重力也包含進去的一個理論,目前的大一統理論並不包含重力)的過程,雖然這個理論尚未被發現。溫伯格在描述物理理論的發展我覺得比費曼還有趣(個人認為啦),這可能因為費曼非常重視數學,認為無法理解數學也就無法認識大自然,也可能溫伯格此書的對象就是要將探求自然法則的經過與精神推廣給一般大眾。至於《上帝粒子》對於一般大眾而言,跟費曼的《物理之美》一樣不太好啃,裡面有太多粒子交互作用的式子容易讓人頭昏腦脹(這些粒子的族譜以及交互作用,照片中 ScienScientific American 那本物理前線特輯整理比較清楚 )。


希格斯粒子的發現是一個里程碑,有可能將來又撞出其他的類希格斯粒子也說不定,但至少目前標準模型已經可以合理的解釋三個力的交互作用。接下來科學家們將朝向能納入重力(因為重力相較其他力而言非常小,於是有難以解決的「層級問題」)的最終理論而前進,眾多的弦理論是候選者之一,《最終理論》的最後部份即大概描述最終理論的輪廓,諸候選理論譬如弦論或膜理論的細節則可參考其他例如霍金的書。
PS.目前LHC對撞機。正停機維護中,據說2014才會再開機。



Scientific American“The frontiers of physics”內容豐富

奇才霍金的《胡桃裡的宇宙》可看作是其《時間簡史》的再進化與普及版。書裡有大量的圖解配合霍金本人風趣精練的說明,企圖使近代的宇宙論(尤其與時間相關的面向)比較不那麼的艱澀,不過由於裡面牽涉到不少理論的物理、數學幾何,加上篇幅有限而有所精簡,其實對我們一般大眾來說,若對𥚃面提到的相關理論的基本常識了解不足,讀起來也是頗吃力的,尤其是本書後段與統一定律之一的M模型相關的膜理論,或黑洞全像性相關的章節。
(對近代宇宙論物理學有全面詳細說明的,我覺得Scientific American於2005年出版的專刋“The frontiers of physics”內容非常全面且深入淺出,囊括延伸(後)標準模式、弦論、全像宇宙、質量的起源之謎、量子迴圈重力論等等領域,但是原文的,讀得辛苦,我目前只看了約一半^^~但很值得)

不過裡面的圖解多少發揮了它的作用,譬如連鎖反應、粒子的自旋、測不準原理,時間光錐、虛數時間等等,都可令人一目瞭然,印象深刻。

說到「虛數時間」,這個詞後來造成了廣大的迴響與爭議,爭辯的不外乎是虛數時間到底是什麼?它存不存在?它是不是真的東西?甚至社會上還有些引申意義已經算是宗教的領域了。虛數時間是霍金拿來解釋宇宙時空的起點與終點、解決其計算上問題的模型,在此模型下,宇宙的起點與終點便成了與時空中任一點無異。至於虛數時間是否真實存在,其實由以下霍金關於實證主義的一段話應該可以說明虛數時間在此的用意。

“任何站得住的科學理論,無論研究的對象是時間或是任何概念,在我看來,皆應植基於最實用的科學哲學:巴柏等哲學家所提出的『實證主義』。根據實證主義的看法,科學理論只是一個數學模型,其目的是描述並量化我們觀測到的現象。一個好的理論,能以少數假設當作基礎,描述大量的自然現象,並能作出,明確的、可檢驗的預測。假如預測符合觀測結果,這個理論便通過這項檢驗,但我們永遠無法證明它是正確的。另一方面,假如觀測結果不符合預測,我們就得放棄或修正這個理論……倘若你像我一樣接受『實證主義』,你就不能說時間真正是什麼。你頂多只能說何者是時間極佳的數學模型,以及它做出什麼預測。”《胡桃裡的宇宙》(2001)
以上,只是讀書筆記,以及個人的一翻胡思亂猜。


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《夜的盡頭》



《夜的盡頭》是一本值得大家一讀並深思的書。(書名翻作《夜的終結》似乎比較貼近原意?)

從燈火燦爛的拉斯維加斯,到具有滿天星斗,一、二級暗空的大盆地國家公園,作者到過許多具有不同光害程度的地點,拜訪過許多來自不同領域、為保留暗空和改善光害努力的專家和志工。不急不徐地從各面向討論,除了保留暗空得以保護人們欣賞星空的權利之外,而濫用照明(甚至讓夜晚越來越接近白天)除了浪費能源,產生的光害(尤其過度,或打亂生物時鐘的照明)亦會影響包括生態、包括人類的萬物的休養生息與健康,甚至對於藝文與科學的發展(試想當我們失去黑夜的未來有許多藝術與理論將不會被發展)。

書中引用了《國家公園天文導覽》作者諾格倫的話:「只要再讓一、兩個世代的人繼續凋零下去,我們幾乎就等於完全失去『曾經看過銀河』的世代。一旦失去這些人我們就會失去保存夜空的原動力,因為將不會再有任何人知道該如何讓事情回歸到原本的面貌。」

書中亦介紹了多年來一些致力於保留暗空的國際組織或個人、志工的努力,包括城市的照明改善、光害防治的實際規範立法。以及以一些國家公園或具有暗空地點為起點的暗空保留運動。所謂暗空保留並不是要所有人都回到原始生活,強調的是使用適當的照明以及擁有真正的夜晚,並不是只有對觀星者才有好處。

相較下,台灣對這方面的認知與作為便似乎落後了許多,一方面是國內一般大眾仍較少有這方面的資訊,另外一方面是政府政策似乎只把經濟發展當作是唯一的目標,當經濟發展成為目標,其他的包括生態環境以及藝術文化方面就很容易被犧牲,因為這些方面的經濟價值是無法估計或很難估計的,甚至有些沒有經濟價值但是卻對人類永續的生存影響至大(人類並無法把其他萬物消滅而仍能生存)。

如書中提到《沙漠》作者范迪克所說的:「務實的人不會對永恆有太多幻想,他們心裡明白美感只對情人、年輕人產生作用,只有痴戀的人才會買單。能不能賺錢才是日常生活的重點,如果摧毁美感能夠賺錢的話,管它的,無論如何都先把美感給摧毁了再說。這就是打從盤古開天以來務實的人一貫採取的作風。」

如果人們不那麼「務實」,如果也能夠以類似看待二手煙的方式來看待一些環境問題的話,培養具有人權的觀念與身為地球公民的責任感,或許我們身處的這顆宇宙中渺小到幾乎可以忽略的,蒼藍的小點,也許能逃過被我們人類自己所毁滅的命運(據說自人類誕生之後物種消失的速率飛快)。


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