光的祕密

霍金當年寫《時間簡史》時,出版社警告他:書內每多一條公式,銷售量便會減半。

為何我仍然會在科普裡寫數學公式?這是因為我希望即使讀者未能理解推導過程的每一個步驟,也能夠體會大自然確確實實是物理與數學的美麗結合。越基本的科學所涉及的數學就越複雜,所以有人說「物理是科學之父、數學是科學之母」。終究科學並不是寫作,科學必須經過嚴謹論證,不可能每一次都用純文字去解釋。

4633000725_8817dcedb9_b聖經上寫道:「神說:『要有光!』就有了光。」如果宇宙真的存在一個創造者,我不相信這會是祂說過的話。天文學家使用越來越大型亦越來越精密的天文望遠鏡收集來自宇宙深處的光,希望得知宇宙的奧秘。今次我要討論一個問題,其實「光」是甚麼?

我們一般說的光,多指可見光 (visible light),波長約由 400 納米至 700 納米。整個電磁波譜由射電 (即 radio wave) 到伽瑪射線 (gamma-ray),可見光只佔其中非常少的部分。為甚麼我們會叫它們做「電磁」波呢?光又為何會是電磁波?

在日常經驗裡,「電」與「磁」看上去是兩種不同的物理現象。事實上,「電」與「磁」是同一個硬幣的兩面,本為一體,只是其中的關聯不容易被察覺而已。

1665 年,牛頓用三稜鏡把白光分解為七彩的光。他把另一個三稜鏡倒轉放在彩光後面,發現七色能夠結合變回白光。他認為光是一種粒子,其他一些人則認為光是一種波動。

1806 年,奧斯特 (Hans Christian Ørsted) 發現了電流磁效應。有一天,他在課堂上做電學實驗的示範,察覺到電線旁的指南針會受電流影響,從而發現了電流可以產生磁場。這就開啟了物理學的一道大門:「電」與「磁」兩種看來互不相干的物理現象之間的關聯被發現了。

1831 年,法拉第 (Michael Faraday) 發現了磁場的改變能夠產生電流,原來電能生磁、磁亦能生電。這些發現暗示了「電」與「磁」有可能只是同一種物理現象的兩個表現。

在 19 世紀,科學界已經累積了非常多的電磁現象實驗數據,但卻未有人能夠解釋所有現象。終於在 1865 年,馬克士威 (James Clerk Maxwell) 成功將所有理論與實驗數據整理好,他只用幾條方程式就解釋了所有電磁現象,從此電學與磁學統一為電磁學,成為一個完整的電磁理論。這是現代物理史上第二次將兩個看上來不同的現象統一起來;第一次統一是牛頓用運動三定律和萬有引力定律把力學和行星運動結合起來,就是我們學過的經典力學。

讀者若有中學程度的物理底,該會聽過庫倫定律 (Coulomb’s Law) 與法拉第定律 (Faraday’s Law) 等等之電磁學定理。這些定律全被包含在馬克士威方程式 (Maxwell’s Equations) 當中,所有的電磁現象都可以從這四個公式推導出來:

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其中 EB 分別為電場 (electric field) 及磁場 (magnetic field)、ρ 是電量密度 (charge density)、J 是電流密度 (current density),E與 上面的箭咀表示它們是三維向量。

現在嘗試由 (1) 式推導出庫倫定律。把 (1) 式作體積積分,就會得到

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左邊使用高斯散度定理 (Gauss’s divergence theorem),右邊使積分電量密度寫成總電量 Q,就有

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考慮球狀對稱,左邊就只剩下沿半徑向外的電場分量,所以變成純量 EdA 的積分,故此就得到電場

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這就是讀者熟悉的庫倫定律。

其實當年馬克士威的方程式組包含了二十個公式,以上只有四個公式的現代版本是由黑維塞 (Oliver Heaviside) 與吉布斯 (Josiah Willard Gibbs) 於 1884 年使用向量形式重新表達的。

說到這裡,究竟電磁學與光有甚麼關係?早在 1676 年,奧勒.羅默 (Ole Rømer) 聰明地利用觀測所得之木星衛星掩食時間與理論上的數值比較,從而計算出光從木星飛到地球的時間,是有史以來首次測量到光速的準確數值:約為秒速 30 萬公里。

馬克士威發現,使用 (1) 至 (4) 式可以推導出數學之中用來描述波動的波動方程,因此他預言電磁波的存在。問題在於如何得知電磁波與光是同一種物理現象?以下我將推導電磁波動公式,答案就藏在結果之中。

考慮 (2) 式,把它作旋度 (curl),並使用恆等式

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就得到

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由於旋度算子與對時間的偏微分算子互相獨立,作用次序可以互換。再將 (1) 式代入 (9) 式左邊,將 (4) 式代入右邊,當我們考慮真空狀態,電量密度及電流密度均為零,就得到

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(10) 式可寫成

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同樣地,磁場也可以寫成

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讀者可以自行推導。(11) 式與 (12) 式就是電磁場三維向量波動公式,它們每一個方向的分量都可以寫成下述模樣:

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這就是波動方程,f(x,t是位置 x 與時間 t 的純量函數,u 是波的速率。所以我們發現電磁現象可被描述成一種波動,而且在真空下具有速率

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所以這樣就證明了電磁波的存在。

(14) 式之中的真空電容率與真空磁導率皆為常數:

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由此計算出 c 大約等於秒速 30 萬公里!「這不是光的速度嗎?何等巧合!」由於電磁波的速率與光速非常巧合地一致,這使得馬克士威不得不下結論說,光就是電磁波!

到了 1886 年,赫茲 (Heinrich Rudolf Hertz) 在實驗中證實了電磁波的存在,成為世上第一個傳送電磁波的人 ,頻率的單位赫茲 (Hz) 亦以他的名字命名。

當年,赫茲在課堂上做電磁波傳送實驗,有學生問他:「這樣做有什麼實際用途?」

赫茲回答:「一點用也沒有。」

誰又知道,今天差不多每個人都有一部手提電話、電台和電視台無時無刻都在廣播、現代人最重要的必需品不是食物不是水,而是 Wi-Fi。

馬克士威把電學與磁學結合成為電磁學,更把光學一同納入電磁學的範疇。這是物理史上一次極其重要的統一,大自然在人類面前展示出她偉大而美麗的一致性。不過,馬克士威的電磁理論當年亦曾被科學家所懷疑,因為 (14) 式的結論「光速是個常數」完全抵觸了牛頓的物理學觀點:時間及空間的絕對性。這個問題最終在 1905 年被愛因斯坦提出的狹義相對論解決了。

下一次,我們將會討論電磁波的特性,以及電磁學與相對論的關係。

我想,宇宙若存在一個創造者,祂說的應該是:「要有馬克士威方程!」就有了光。

你也能懂相對論

如果我說,相對論與日常生用息息相關,你會信嗎?或許就算我是一位知名的物理學教授,說服力相信也不會大得多少。以下我將要用比較淺白簡單的文字和少許初等代數,說明並說服大家,相對論並不難懂,而且它在日常經驗中是如此的明顯、如此的必要!

1905 年被稱為愛因斯坦的「奇蹟年」,愛因斯坦向世界提出了一套非常明顯、非常合理,但卻一直不為人所理解的理論狹義相對論 (special relativity)。被稱為「狹義」是因為這個理論只在慣性座標系中適用;換句話說,即是在所有沒有加速度的系統中都適用。狹義相對論建基於兩大假設:

  • 在所有的慣性系統中,所有有物理定律保持不變。
  • 對於所有系統中的所有觀測者,光速永遠不變,而且不是無限快的。

假設 (一)「所有自然定律不變」一般被稱為相對性原理 (principle of relativity),明顯比較合理,也比較容易理解。而乍看之下,光速相對於所有人都不變,而不論那人正在高速奔跑或者靜止不動都沒有關係,就顯得較為奇怪了。要理解這一點,我們需要由速度的意義說起。速度,就是在說「每單位時間內走了多遠」。說得再淺白一點,可以想像為「每秒走了多少米 (m/s)」。但這只是慣用單位的問題,你當然可以想成「每小時走了多少公里 (km/h)」,這正是司機們慣用的單位。在科學中,單位是至關重要的,因為不同單位的東西就是不同性質的東西,不可以混為一談的比較,好像一個蘋果永遠不會等於一個橙。

假設 (二)「光速相對所有人都不變」,就是說相對於所有人,光在每單位時間內走的距離都一樣。就是說,當你向著一道光奔跑,「直覺上」你會認為你所看到的光速比起你在靜止不動時快,因為在你向光跑去的「同時」,光亦向著你衝去。換成數學上的表達,就是說如果你用速度 向著光衝去,而我們用 代表你在靜止時看到的光速,那你看到的光速就會變成了c + v。這就是所謂的伽俐略變換,亦被一般人叫做「常識」。當然了啊,兩個物件互相衝去,當然會比其中一個不動、或兩者互相遠離快啊。但是,愛因斯坦卻說不論你用甚麼速度,向著光或離開光移動,你到的光速都仍然為 c,不多也不少!

你會說:「這怎可能!這是違反常識的!」我的回答是,一般人的常識存在非常明顯的漏洞,可是在愛因斯坦之前卻一直沒有人留意到這個嚴重的錯誤!這個錯誤就是「同時」這一概念的演繹。甚麼是「同時」?就是說大家的時鐘顯示的時間都一樣啊!對,這也是愛因斯坦對「同時」的理解。但現在要再問一道問題,如何知道兩個時鐘的時間一樣?

問題到肉了,可是你會覺得很無聊:「說甚麼廢話!只要我看到兩個鐘的指針拍著的時間就是了!」好,停一停,想一想:我們能「看」到東西,是因為光進入到我們的眼球穿過水晶體折射後投影在視網膜上。總言之,我們能看到東西,是因為有光。光以一定的速度前進,而且因為光速有限,因此在不同距離發出的光相對於同一個觀測者而言,會在不同時間到達。試想像,兩個人相距非常遠,而兩個人都帶著一個時鐘,那麼當然,任何一方都會覺得對方那個時鐘所發出的光,會比自己手上的時鐘所發出的光要用更多時間才能進入你的眼睛吧!好了,我希望大家想想,究竟事先要如何調整兩個時鐘,才能使你和對方都看到兩個時鐘是同步的呢?當然,這是辦不到的!因為兩個時鐘相距兩個人的距離都不同。若然你看到它們是同步的,對方就會看到他手上的走得較快,反之亦然。

如果你不太理解的話,請從頭思考一次,先不要跳過讀下去,因為剛才所說的就是相對論的精髓所在。重點是,要知道世界上並沒有「對所有人都同時」這個概念存在,因此也可以說,「同時」這個概念對每個人都不同;說「對大家來說都是同時」就是錯誤的,沒有可能發生。這是非常明顯的,但卻一直被我們所忽略。這完全是因為對於人類的感覺來說,光速 (每秒三十萬公里,能夠環繞地球七個半圈) 實在是太快、太快了。

好了,接下來我要介紹相對論導致的兩個非常重要的結果,這些結果令人類對時間及空間的概念有了根本上的改變:時間及空間其實是互相糾纏、難分難離的。在這部分我會以數學論證,狹義相對論所涉及的數學都只是基本數學運算以及向量微積分,相信對有會考物理根基的朋友來說不會太難。

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在我們生活的三維空間中,每一件事件都可以用座標系的四個變量決定,就是 (長,闊,高,時間),數學表達為 (x, y, z, t)。假設在座標系 S 中有一原點 O,在 內觀測的人都會對每一件事件測得一組座標 (x, y, z, t);而現在有另一座標系 S’ 正在相對 S 以速度 向右移動,它的原點 O’ 在時間 t = 0 的時候剛好與 O 重疊,而在 S’ 內觀測的人都會對每一件事件測得一組座標 (x’, y’, z’, t’)。那麼,在我們的「常識」中,(x, y, z, t)(x’, y’, z’, t’) 的關係就是由伽俐略變換來決定:

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這就是我們認為的「常識」的數學表達方法。留意當中 t’ = t,因為在傳統的觀念裡,「同時」這概念仍然存在。明顯地,在伽俐略變換當中,時間是獨立地流逝的,與空間 (x, y, z) 無關。可是,在上文中我們知道「同時」是不存在的。

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想像小明站在一節正在行進的列車車廂正中間,在車頭及車尾都擺放了感應器。他向左右同時照射出兩道光束。對小明來說,車廂並沒有移動,所以他會看到兩道光束同時到達感應器。可是,對於一位站在月台上的人來說,因為列車正在向右移動,右邊的感應器不斷遠離光束,而左邊的就不斷靠邊光束。所以他會看到左邊那道光束首先到達感應器。因此,時間會因為觀測者的運動狀態不同而有所分別,而且這是非常明顯的!請注意,上述兩種情況都是正確的,沒有誰對誰錯,完全因為觀點與角度而已。回到 S 和 S’ 座標系的討論,因為兩個座標系的運動狀態不同,所以伽俐略變換就不是正確的描述了,我們必須改用另外一種座標變換方法,名為洛倫茲變換 (Lorentz Transformation):

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有關這組公式的推導過程,有興趣的朋友可以參考任何相對論課本。在這裡我們有興趣的是:如果時間及空間確實根據以上方程組變換的話,會有甚麼有趣的事情發生?

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首先,考慮一個「光鐘」,這是一個純粹由兩塊互相平行的平面鏡組成的計時器,有一束光在兩塊鏡之間來回反彈。然後我們定義這束光來回反彈一次的時間 Δt = 2h / 為一個時間單位,故此我們就有了這樣一種有趣的計時器。

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現在,我們讓這個光鐘在 S 座標系中以水平方向向右以均速 移動。所以我們就知道,如果我們稱光鐘為 S’ 座標系,就有 Δt’ = 2h / c。在 座標系當中,光就是以斜線行進的,根據畢氐定理,我們得到

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使用簡單代數運算求得 Δt

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因為 v < c,所以分母必定小於 1 ,故此 Δt’ < Δt。換句話說,移動中的座標系的時間流逝得比較慢。這就是著名的時間遲滯 (Time Dilation) 。

除了移動中的人的時間在其他人眼中會變慢之外,移動中的物體看起來也會變短。這叫做長度收縮 (Length Contraction)。如果 L是物體靜止時的長度,L 是物體相對於觀測者以速度 v 移動時的長度,那麼我們就會得到

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公式 (3) 的推導過程與公式 (2) 差不多,只要把光鐘轉個直角再考慮水平移動就可以了,有興趣的朋友可以自己當做練習試試推導。

以上兩個「違反直覺」的現象都已經被實驗觀測所證實了。其中一個重要的證明是關於宇宙射線的問題。每分每秒都有大量的宇宙射線攻擊著地球,這些射線多是帶電粒子諸如質子及電子等等,能量很高。幸好地球有磁場以及大氣層的保護,不然地球上就不可能有生命存在了。

一些粒子與大氣粒子碰撞後,會產生許多不同種類的粒子,向各個方向散射。這些粒子的壽命一般都非常短暫,就算在產生的一刻開始已經用接近光速前進,在它再衰變成其他粒子之前,前進的距離最多也只得幾百米。但是,雖然地球的大氣層厚度約為 100 公里,設置在地面上的儀器卻可以探測到它們!這完全是因為這些粒子以接近光速行進,相對論的效應就會變得很大。如果在靜止時這些粒子的壽命是 T,那麼根據時間遲滯現象,地面上的人就會測得它們的壽命為

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其中 是粒子的速度。明顯地,當 非常接近 c 的時候,T’ 就會變得非常大,所以它們有足夠的時間可以穿過厚厚的大氣層落到地面。

我最後想介紹的是著名的愛因斯坦速度相加法則。在早前的討論中,我們已經明白到,在光速不是無限快的條件下,時間必須是「相對」的。亦即是說,對於不同運動狀態的觀測者,時間的流逝速率各有不同。同樣地對於空間來說也是如此。因此,我們就不能說兩個互相靠近的人的相對速度 v’,會簡單地為 v’ = v1 + v2,其中 v和 v分別為兩個人的速度。那麼 v’ 應該如何表達才對呢?其實簡單得很,只要把洛倫茲公式對時間微分就可以了。詳細的做法可以參考教科書,其結果為

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因此可以看到在相對論下,相對速度 v’ 比較小。如果代入文章開頭的例子,你和光束互相衝向對方,就有

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所以你會驚訝地發現,c + 仍然是 c!這是當然的,因為相對論本身必須符合它的假設:光速不變。

其實狹義相對論還有許多有趣的題目可以討論的,例如著名的質能公式 E = mc^2、雙生子悖論、能量-動量四維向量、以及相對論性電磁場理論等等,或許在以後我會和大家深入討論。而愛因斯坦在 1916 年提出的廣義相對論 (general relativity),則是一套把重力與加速度都包含在內的時空理論,能夠非常準確地描述我們身處的宇宙。廣義相對論所涉及的數學非常深奧,需要使用到十分抽象的黎曼幾何以及張量的概念,確實並非每個學生也能明白。在以後我會試試為大家說明廣義相對論的重要性。總而言之,在這篇文章中,我希望大家明白的事,是相對論其實並非一般人想像的那麼深奧難懂。至少,就狹義相對論而言,只需要中學程度的物理及數學知識就可以了。

無知的價值

甚麼是科學?科學是狂野的,科學家需要想像力。我不肯定這是否與藝術家的想像力相似。從前,人類想像世界是平坦的一塊陸地,被站在烏龜背上的大象托起;也有些人認為世界是被一個大湯碗蓋著的,外面有天堂也有地獄,如果能夠到達外頭看看的話必定十分有趣。

這些故事真美,美得藝術家們都以它們作創作的題材,一些不朽佳作流傳後世使我們能夠一窺古人浪漫的智慧。但科學家卻用種種理論破壞了這種美,他們會說世界是由原子構成,重力使星球形成,各種化學作用使生物得以繁衍。

但我會問:「難道這不比古代傳說都美麗嗎?」從前的人幻想我們都住在大象背上,現在我們知道我們其實住在一顆巨大石頭上面,這上頭有陸地、有海洋、有熱熱的內核、有各種各樣的生態、地殼會活動形成新的山坡和河谷……這顆石頭有一個很科幻的名字「地球」。地球由於自身重力作用而形成球體,而且亦因為重力,帶動著上面的人以時速 16000 公里繞著一個更巨大的火球轉動,同時又有另外幾個行星加上幾千萬顆小行星一同繞著這個大火球轉動。有些行動緩慢,幾百年、幾千年、甚至幾萬年才繞一個圈,有些卻有如一個個活蹦亂跳的小孩一樣到處衝來衝去……真是令人難以置信啊!

但如果你一直觀察下去,你又會發現這些運動不是雜亂無章的:一種叫做重力的東西,依循平方反比律,使得一個個星球按照不同的距離以不同的速度、不同的方向在太空中起舞。而這個叫做重力的東西不單止由大陽作用於行星之上,同時亦由行星作用於住在上面的一切東西。正正因為這條無形的安全帶,令我們不會被快速自轉的地球拋出太空,令我們可以進行各種活動。這種令足球急變下墮的力量,與令人造衛星留在軌道上的力量,竟然是同一樣的東西!這是個多麼的奇妙、多麼的美麗動人的故事!

可能有人會說:「科學家把世界描述得太過精確了,扼殺了種種的可能性啊!」但事實上,科學家可能才是對世界的運行方式最不確定的人呢!在這裡我所說的那種「不確定」,並不是一無所知、胡說八道的那種。只是你要知道,科學定律並不等於大自然本身,科學定律永遠不可能是「正確」的。科學家永遠都只是在猜,如果世界是如此這般的話會發生甚麼有趣的事情,然後再看看那些有趣的事情有沒有真的發生。只是其中有一些猜的比較準確,一些猜得沒那麼準確罷了,重要的是永遠沒有人能夠絕對的準確。

費曼 (Richard Feynman) 曾說過:

「我從來都活著,也從來都很無知,那容易得很。我想知道的是你如何能甚麼都知道!」

這種「不確定」、對大自然的「無知」就是科學的本質。我們永遠沒有辦法知道一粒電子的位置,我們只能知道它應該在哪裡附近;而更糟的是,其實電子只是一個概念,是一個幫助人類腦袋理解科學概念的東西。也許實際上根本就沒有電子,電子這個概念可能只是方便我們解釋自然現象的工具。

科學家觀察世界的方法其實與其他人一樣,用眼看,用心感受,用腦想像。科學家想像世界的運作方式其實差不多,只不過科學家要遵守的規矩嚴厲多了:它們必須不自相矛盾、能夠作出預測、理論結果又要符合實際觀測……這是多麼嚴苛的條件啊!

科學界沒有所謂的權威,只有大自然才是理論的最終挑選者。科學家不會因為某某是權威而輕易相信他的理論。一個好的科學家會把所有有線索自己重新追溯一次,如果在所有資料都經過大自然篩選之後,自己得出的結論與權威的一樣,沒有甚麼大不了,只不過表示這個權威應該沒弄錯而已。而如果結論不一樣的話,也只不過令到權威沒那麼權威罷了。

實際上,對現有理論存疑,是科學家最基本的工作之一。這種懷疑並不會減輕科學的重要性,更是人類智慧進步的泉源。因為沒有絕對的確定,沒有一個理論可以被認為是絕對正確的。只是在找不到更好的理論之前,姑且暫時使用而已。這種情況在歷史上屢見不鮮,由牛頓力學過渡到愛因斯坦的相對論就是一例。這種不確定不會消失,只會慢慢的隨著人類的智識提高而變得愈來愈小;但重要的是它永不會消失,永遠不會。一旦失去了它,人類進步的動力也就隨之消失,因為我們已經不用再想些甚麼新點子了。

把我今天的話總結一下:科學是不確定的,這種「不確定」與「存疑」的特徵對科學的意義重大;而且它能留給人類大大的想像空間,一個個美麗動人的理論模型於焉誕生。科學家早已習慣無知,這令他們有動力不斷找尋新的方向。費曼曾於演講中作出以下的省思:

 「因此,科學家早已習慣面對『存疑』和『不確定性』。所有的科學知識都是不確定的。這種與疑惑和不確定性打交道的經驗十分重要,我相信其中潛藏著巨大的價值,而且這種經驗超越科學,往外延伸。我相信,要解開任何從未被解開過的難題,你必須讓通向未知的門半開半掩地,容許『你可能沒全弄對』的可能性。假如你早已抱有定見,也許就找不到真正的答案。」

– 引自費曼於華盛頓大學第二屆約翰.丹茲講座的第一講「這個不科學的年代」

也許最經常說出「我不知道」的人,知道的比其他人更多。

比達的科學精神

潮文有曰:「細個鍾意睇悟空,大個就鍾意比達」相信好多人都有同感。

近日重看龍珠,發現比達思考模式其實很科學。

在地球,比達和納巴面對悟空,納巴問比達:「悟空的戰鬥力是多少?」

比達的偵測器顯示悟空的戰鬥力超過 8000 (英文版多說 It’s over 9000),比達就立即除下偵測器,憤怒的把它破壞了。我們看到比達的 EQ 不高,但納巴一口咬定是儀器出錯,而比達卻選擇相信儀器的數值,並親身證實偵測器顯示的數據。最後雖然不敵悟空,但比達的反應很科學:

當數據與我們的常識或感覺相違背時,通常錯都在自己而不是數據。

在搶奪龍珠的時候,比達知道菲利的力量在所有人之上,因此選擇暫時與地球戰士聯手,採取連橫合縱之計。這是合乎邏輯的決定,在科學研究中,經常會碰到大大小小的問題:

把問題按難易度逐一解決能更有效達到目的。

斯路遊戲中,比達以為自己在精神時光屋裡已經鍛鍊得非常強勁。可是當他看到悟空與斯路的戰鬥,就說雖然很不甘心,但確實自己根本超越不了悟空,而且更正確判斷形勢,知道再戰下去悟空必敗。這態度正正是組成科學的重要元素:

在事實面前,勇於承認不足和失敗。

比達在能夠變成超級撒亞人 2 後,仍正確判斷自己比不上悟空。他就假扮成為巴比迪的手下,以換取力量提昇。做科學研究需要多角度的思考:

當一個方法行不通時,應該敢於嘗試其他方法。

面對強大的敵人,悟空每次都很樂觀;而比達不像悟空,他選擇相信數據、採取合理的對策,而非一味相信奇蹟。當然,靈感和堅持對於科學家來說都是非常重要的,就像愛因斯坦堅持十多年最終獨力完成廣義相對論。

小時候,我們都喜歡悟空,也許亦曾嘲笑過比達。長大後,卻發現比達的科學精神和思維方法,其實更符合於分析這個世界。原來我們都會成為當天曾嘲笑過的人。

在《神與神》中,比達的堅持最終有了成果。雖然不是宇宙第一,但比達為了保護心愛的老婆,力量爆發與破壞神激戰,雖敗猶榮。而悟空也承認,比達終於超越了他。M 字額終於成為真男人,他的堅持終於有了成果,感動了不少大男孩:我們都曾希望自己是悟空,而比達卻是我們的寫照。

世上有鬼嗎?科學看超自然

世上有鬼嗎?如果你問我,我會說:「沒有比較合理。」你可能會說,我這樣答簡直是回避問題。沒錯,我是在回避問題。因為問題本身根本就不成立。

究竟甚麼是「鬼」?

正如問某人「你信有『貓』嗎?」如果被問的人對「貓」的特徵沒有任何頭緒,再討論下去也只是浪費時間。

所以,讓我們定義在我們討論中的「鬼」究竟指甚麼。世界上各地各個年代都有不少關於「鬼」、「鬼魂」、「靈體」等等的傳說、故事,甚至每間中小學都總會有一兩個大同小異的傳聞,在大學裡更是多不勝數,只要去問問一些活躍於校內各種組織或團體的學生,隨口就可問到十個八個恐怖故事。所以,我假設「鬼」在大多數人心目中應該有以下的特徵:

  • 能夠漂浮半空,不用腳走路,或根本無腳;
  • 能夠穿越牆壁,不用開門,穿牆後「鬼」本身與牆壁都絲毫無損;
  • 可能殺人,可以從不知哪兒拿出來的武器殺人,或徒手掐死人,而且人根本無法還擊。總之「鬼」能觸摸到人類,但人類卻不能觸摸到它們。

大約是如此吧,不再提出那麼多假設了。少些假設的科學理論比較能解釋更多。如果你說,你是不信科學的人,你覺得不能夠用科學去解釋「鬼」。很可惜,科學是經過觀察自然現象歸納出來的事實,信不信科學是輪不到人類去選擇的,因為科學描述的就是自然法則。

第一點,「鬼」可以漂浮。世上所有物體都會受到重力的影響而互相吸引,連沒有質量的光線也不例外。甚麼?你沒有聽過光線也會被重力所吸引?你有的,你聽過「黑洞」。只因地球的重力場比起黑洞的弱得可憐,我們才會感受不到光線被重力彎曲這個事實,否則也不必等愛因斯坦去發現相對論了。

根據廣義相對論,質量會使時空變得「彎曲」,我們會說時空被物質「扭曲」了。放一個保齡球在彈床上,彈床表面就會變得彎曲。向著彎曲的地方滾一顆小波子,波子的路線就會向著保齡球偏移過去,看上去就好像被保齡球「吸引」過去了。光線的情況也一樣,所以我們看上去就會覺得光線被物質所「吸引」了。光線實際上是沿著彎曲時空的最「短」距離以「直線」行進的,這條「彎曲的直線」叫做「測地線」(geodesic)。所以,只要是存在於這個宇宙中的一切東西,都必然受到重力影響,因為重力根本就不是一種力,重力本身就是這個宇宙、這個時空。為了方便我們的討論,以下我把重力繼續當成一種力。

而唯一可以抵抗一個力的,就只有施加另一個反作用力,而且這兩個力的方向相反,大小相同。飛機能飛是因為空氣提供的昇力抵消了重力、輪船不會向下沉是因為水提供的浮力抵消了重力、我們可以站在地面上是因為腳底的電子和地板的電子互相排斥的電磁力抵消了重力。不論反作用力是甚麼,總之一定要有力才行。所以既然「鬼」可以漂浮,一定是「鬼」也能靠著某種力與重力抗衡。有哪些可能性呢?自然界有四種基本力,分別為強核力、電磁力、弱核力和重力。其他的所有力都來自這四種基本力。理論上,這四種力都可以說成是兩個粒子在交換玻色子。或者簡單地說,粒子與粒子之間有著某種「交互作用」(interaction)。力一定是成對出現的,正如你打我一拳,你的手也會覺得痛。「鬼」也一定要靠這些基本力來支撐自己。總之,結論是若乎合上述假設 (一) 的「鬼」存在的話,它們 ( 他們 ) 與物質之間一定有交互作用。

問題來了,根據上述「鬼」的第二個假設,「鬼」能穿牆。而且穿牆後能保特原狀,毫髮未傷。換句話說,即是「鬼」與牆壁之間沒有「接觸」;或精確地說,「鬼」與牆壁沒有任何交互作用。但若「鬼」要擁乎合第一個假設,即能夠漂浮,一定要與物質有某些交互作用。牆壁是物質,所以牆壁也應該與「鬼」有交互作用才對啊。這豈不是自相矛盾?

至於第三個假設更令人無法理解。為甚麼「鬼」可以觸摸到人類而人類卻不可以觸摸到「鬼」?這等於「你被我打中了,但你的身體沒有接觸到我的手」。明顯這是自相矛盾,不合理。所以根本對於我們假設中的「鬼」的所有討論都是廢話,是在侮辱人類的智慧。當然你可以說,那些「鬼」可以自由選擇與物質作用與否。但這就是開外掛,是違反所有物理法則的不負責任的言論。根據同樣邏輯,我也可以說「我是神,我在上一秒鐘創造了宇宙,人類的所有記憶都是我在上一秒鐘偽造的」。你沒有辦法推翻我的話,就算你殺死我,也證明不了我是否在說謊。

我並沒有說世界上不可能有某種「鬼」,而這種「鬼」的特徵與所有物理法則均沒有抵觸。我們可以說真的有一種「鬼」,它們 (「他」們?) 是看不見、摸不到,並且用任何方法也探測不到的。但這就變成了:有一種東西叫做「貢嘰」,他們是看不見、摸不到,並且用任何方法也探測不到的。你覺得這是有意義的說話嗎?以往科學家們認為宇宙中有種物質叫做「以太」,它是負責傳遞電磁波的媒介,但是看不見、摸不到,並且用任何方法也探測不到的。唯一有望證明它存在的方法是著名的「邁克爾遜 – 莫雷實驗」 (Michelson-Morley experiment)。結果,實驗本身證明了「以太」並不存在,或根本「不需要存在」。而且,如果「鬼」真的是看不見、摸不到,並且用任何方法也探測不到的,那你怕甚麼鬼啊?

我寫這篇文章,雖然可能會觸怒某些人,但我只是想帶出,科學的思維方法,是以合理的邏輯去理解這個世界。注意我從沒有說過「世上一定沒有鬼」,我只是說「沒有比較合理」罷了。若有一天,人類能夠證明真的有一些與物理法則均沒有抵觸的「鬼」的存在,到時再問我「你信有鬼嗎?」我就會答「有鬼比較合理」。

當然,這些討論也影響不了我喜歡看《人鬼情未了》的感覺。