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立報犇報聯播:荷清苑書簡--介紹一些物理知識

立報/立報犇報聯播 2012.08.22 00:00
文/吳國禎(北京清華大學物理系台籍教授)有學生(非理科專業)問我以下問題,我覺得很好,料也是別的同學會有的問題,其中一些還關乎「哲學」的方面,或許大家可以參考。為了簡要點明概念,我就用不很嚴格的語言來說明。問:何謂「熱」?所謂的「熱」,就是指的粒子運動速度的體現。我們為何感到一杯開水,比冰水熱?就是,因為開水中的粒子(水分子)運動速度比我們身體的,快很多,而冰水的水分子,又比我們身體的慢很多。有了運動,就有了能量。這個能量是會傳遞的,運動快的粒子和運動慢的粒子相接觸(碰撞),運動快的粒子就變慢些,而運動慢的粒子就會快些。這樣,我們就感覺到「熱」的傳遞了。所以,「熱」是一個「表觀」的現象,它的本質是粒子的運動能。如果粒子不運動了,靜止了。這時,「熱」的內涵就是最低了,也就是溫度的最低點。問:這樣說,所謂絕低零度,就是一切運動停止時?是的。但是,情況比我們以為的複雜些,如果粒子(如電子、質子等)被局限在一個小的空間的話,那它們是不能停止運動的。在絕低零度時,它們還是具有運動著的能量。這也和辯證唯物的哲學觀相一致──物質是運動著的,沒有不運動的物質。現代物理學對宇宙/世界的理解,一再揭示唯物辯證的思想──物質是第一性的。所以,具有現代物理學基礎的人,他不難認同唯物辯證的思想。問:哲學大師馮友蘭說過:「物理學所說的物質,是自然界中的一種結構。哲學所說的物質,是獨立於人的意識之外的客觀實在。」我以為兩者其實是一回事的。我們的物質世界,也是:獨立於人的意識之外的客觀實在和存在。問:物質是時間與空間的交叉,可以這樣說?這樣說,是有語病的(或不合適的,或不對的),以為有獨立於物質的時間和空間。物質是第一性的。時間、空間應說是物質的屬性。物質的存在不能沒有時間、空間。但是,不能沒有了物質,而仍然存在的時間和空間。這個思想,其實是愛因斯坦相對論的一個核心的思想。過去,從古代到牛頓到愛因斯坦之前,都認為,時間和空間是獨立於物質,而(先)存在的。物質只是擺在某個時間和空間裡。現在,物理學的實驗證實這樣的想法是不對的。我們的世界/宇宙,不是這樣的。問:到底是說,牛頓從蘋果落地,而後知曉了萬有引力的存在,還是說,牛頓因為瞭解到了萬有引力,才解釋了為何蘋果會落地?關於牛頓為何會想到萬有引力,是因為他見到了蘋果落地,從而受到啟發,還是……?牛頓和蘋果的這個故事可謂人盡皆知。但是,有證據說,這不是一個史實。這個不是很重要。這裡的所問,其實牽涉到一個很基本的思維方式──是說:因為有了萬有引力,然後蘋果才會落地,還是說:因為蘋果落了地,才讓我們認識到萬有引力的存在。這兩個命題有何差別呢?前者說的是,因為有了萬有引力的理論,所以會有蘋果落地這樣的現象,而後者說的是,因為先有蘋果落地這個實驗的觀察,才讓我們有了萬有引力這樣的理論。前者的思維是,先有理論的建立,後有實驗的觀察,而後者的思維是,先有實驗的觀察,後有理論的建立。就物理學言,我們必須堅持,實驗觀察的第一性,而理論的思維則為第二性。理論永遠必須接受實驗的檢驗,當實驗的觀察和理論不一致時,我們就得想到理論的可能缺陷。所謂:實踐是檢驗真理的唯一標準。其實,蘋果的落地,固然可以用萬有引力的理論來解釋,還可以用愛因斯坦的時空彎曲的理論來解釋,就是所謂的廣義相對論。它的核心是說,物質的存在,會引致周遭時空的變化。所以說,蘋果落地這個觀察不必然導致萬有引力這個理論。問:歐洲的撞擊器,找所謂「上帝粒子」,撞擊開後,產生的高溫會是空前的?有人說是大霹靂的樣子,杞人憂天?時間極短,範圍極小,不可能一個實驗就把地球毀了罷?不是的。這些都是媒體聳人聽聞的不實之言。其實,為產生空前的高溫,以瞭解宇宙產生初期的情況,固然是目的之一,更重要的是在尋找所謂的Higgs粒子。在我們日常的能量範圍,日常的溫度情況下,電磁的現象和所謂的「弱作用」(和原子核的蛻變有關的作用)是兩回事的,然而,按照目前的理論,我們已知道在較高能量的範圍,電磁的現象和所謂的「弱作用」會是一回事的。按照這個理論,還預言了一些粒子的存在,而這些粒子在過去的20年內都從實驗上,先後找到了。可見這個統一電磁和「弱作用」現象的理論是非常成功的,讓我們瞭解了電磁的現象和「弱作用」的本質。這個過程和歷史上,人們曾認為,電和磁是兩個不同的現象,後來,知道了原來電和磁是同一種本質的過程,很是相似。話說回來,按照這個理論,還預言了一個所謂的Higgs粒子,非常重要的是,Higgs粒子和物質為何會具有質量,或說是質量的來源這個問題有關。(物質和質量是不同的概念:如光是一種物質,但它並不具有〔靜止的〕質量。)就是說,如果我們能找到這個Higgs 粒子,我們也就清楚了「質量」的來源,或說是,就瞭解了物質為何會具有質量,這個很基本,但是非常重要的問題了。就是為了這個緣由,歐洲各國(美國等)不惜巨額投資,建了加速器,來瞭解這個問題──來尋找Higgs粒子。但是,這個加速器,能否找到Higgs 粒子,目前人們也不敢保證。能找得到,那就是一個劃時代的大事──人們認識我們這個世界的一件劃時代的大事!但是,也可能找不到。找不到,不等於就是否定了Higgs粒子的存在,或說是否定了那個統一電磁和「弱作用」的理論。果如此,事情就吊在半空中,不能肯定,也不能否定了……。物理是很有趣的,它既是實驗的科學,還牽涉到縝密的推理和思維,乃至想像,又具高度的,關於我們對世界認識的總結。對於它的理解似乎也沒有止境的。我有時讀讀過去學習過的物理領域,往往思而有得。這就表示,我過去沒有那樣(深入)理解它的意義。因此,有時一般的物理書,讓同學們不是那麼容易明白,很大原因是寫物理書的人,也未必很懂得所寫的內容。這樣的書,要讓讀者讀懂,自然也是不可能的。所以,我常和學生說,學習物理(書)不懂,先不要怪自己(腦子不好),很大的原因是,老師或書沒把事情說清楚。我以為真正懂物理的話,總能用最簡單的語言,把概念說清楚的,而不是從數學的公式到公式,這樣的過程。如果說,哪個人最懂物理?我首推費曼(R. Feynman)。他的書值得讀。費曼去世後,他的學生出版過他生前的講課筆記,有一本是他講的關於引力的課題。該書從頭到尾,充滿了豐富的物理思維、邏輯,但是,書的結尾的結論是,他的這些想法都行不通。我覺得他是真正懂物理的人。前幾年,他的女兒,把他生前給朋友寫的信出版了。這書台灣應該有的,大家可以看看,他確實是一位「實實在在」的人。他生前就很有名氣了,1965年得了諾貝爾獎。但他確實是沒有世俗的庸俗,他是一個真正的「科學家」。在東方的社會,大約很難找到像他那樣的(自然科學)學者。========================你喜歡這期犇報的內容嗎?犇報是一份以提供兩岸就學、就業、民間交流,以及關注兩岸最新發展動向為主要內容的專業報,目前全省發行量達2萬2千份,期待你將這份用心與好讀的報紙推薦給你的朋友們,也歡迎富有兩岸交流經驗的朋友投稿。兩岸犇報電子信箱:chaiwanbenpost@gmail.com兩岸犇報部落格:http://chaiwanbenpost.blogspot.com/FACEBOOK犇報粉絲團:http://www.facebook.com/chaiwanbenpost

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