追求單一性

追求單一性

陳垣三

　　人類的經驗全靠同情心和好奇心累積而成的，無同情心的好奇是無人性的，而且這種好奇也是毫無效益可言。

　　　　　　　　　　　　　── Victor F. Weisskopf

　　懷斯考夫教授一生所追求的是一個字「SimpIicity」，他在課堂上給予學生的，是條理清晰深入淺出的講解。他具有一種氣質，無論對人對事、對物，都以予無限的關懷和溫暖。

　　漢斯．貝德回憶說：「我不知道在什麼地方能聽到這麼好的課。」懷斯考夫教授不僅將量子論所能處理的實體世界，惟妙惟肖的呈現出來，而且還以更大的愛心，來說明不同的物理量所呈現的物理現象。

　　下面一段文字，是懷斯考夫教授在「追求單一性」一書中所寫的：

　　我想用簡單的話，來說明物質的重要性質。我儘量把重點放在物理的單一性和物理的洞見這點上。我的目標是要說明我們所了解的自然現象，只要根據幾個量子力學的結果就能解釋。基於這種認識，使我們了解到自然界中有關的物理量，其實用幾個基本常數的簡單的組合，便能表示出來。這些基本常數如下：

　　　　　牛頓萬有引力常數　　　G

　　　　　質子質量　　　　　　　M

　　　　　電子質量　　　　　　　m

　　　　　電荷單位　　　　　　　e

　　　　　蒲朗克常數　　　　　　h/2π

　　　　　光速　　　　　　　　　c

　　在這一篇文章中，我要處理的物理量有原子的能量及其大小，分子和固體中原子的束縛能．固體的硬度和密度，金屬的傳導性，固體的熱膨脹，地球上的山岳高度，太陽的亮度以及其他相似的物理量。

　　幾十年的歲月過去了，物理的觀念也歷經變動，新一代的物理學家又有新的觀念和新的方法，即使到了現在，很多從事物理學研究的人員，他們所追求的夢，也是懷斯考夫教授所堅持的信念。

天機

天機

陳垣三

　　英國物理學家卡爾文爵士曾經說過：「對於我們所談論的事物，當你確實有了關於它數量方面的資料時，你對它才有所了解；反之，假如你無法用數量來形容它，那麼你對它的認識，便是含糊而不充分的。」

　　數量是由測量獲得的。如果測量的對象是物理的，則獲得的數量叫物理量。測量是什麼？測量是一種比對的操作過程。例如我們選取長度為測量的對象時，事先會釐訂一個長度作為標準量，然後根據這個標準量進行比對，以確定待測長度的倍數。

　　標準量的釐訂，可能相當武斷，但要釐訂一個標準量，卻不是容易之事。例如以國王的腳長當作呎，或以通過巴黎子午線，由赤道到北極長度的千萬分之一為米，這兩種標準量，不見得那一種含有更深的物理意義，毋寧說後者較前者表現出更積極的科學精神而已。標準量叫做單位。通常單位的釐訂，必須遵守兩個

條件。

一、　不變性

二、　可行性

　　由於物理狀態的不斷變化，要使標準量維持不變，似乎是不可能的事，例如在巴黎國際度量衡標準局所保存的的「標準米尺」，是由鉑銥合金製成的，並控制在攝氏0oC時的長度為一米。誰都知道，溫度變化會使金屬有脹縮的現象。而且攝氏0oC的界定，又是相當困擾的問題。

　　好在物理學家在作測量時，會考慮到儀器本身的精密度；和比對操作過程中所產生的誤差。至於一種單位釐訂後，是否會被採用，是否會流行，因素太多，誰都無法預測或肯定。但在作測量時，採用一種流行的單位誠屬必要，否則所獲得的數據較難理解，甚至於無從了解。

　　由測量能獲得確實的知識，這是一種信念。伽里略認為「哲學是寫在一本永遠對我們開放的大書上，這本大書就是宇宙。但是我們要學習一種語言，熟習一種文字，這種語言就是數學；這種文字就是三角形，圓形和其他幾何圖形，沒有它我們半個字也無法懂得。」

　　伽里略最大的貢獻，就是對數學的遵重和對實驗的堅持。測量只能獲得一些數據，惟有依靠數學才能整理出一些規則。例如刻卜勒在從事火星軌道研究時，發現火星的位置和哥白尼理論所預測的相差五度。在他工作的第一年，他想用周轉圓來切合泰戈‧布拉所遺留下來的觀測數據；但沒有成功。後來經過幾年冗長的工作，並且將哥白尼的系統作了一次修正，結果仍然與觀察相差七分之一度。他想起了泰戈‧布拉所觀察的火星軌道並非圓形，於是放棄了周轉圓的嘗試。這是天文學發展過程中一大革命。

　　行星以橢圓形的軌道繞太陽運行，是刻卜勒所建立的定律之一，也是觀測行星運動所依據的理論。但經過更精密的測量，水星那一完美的橢圓形軌跡，似乎稍微顯露出一點破綻來，每世紀約相差0.7分度。這個謎，無法用牛頓的萬有引力定律來解釋，一直到愛因斯坦的廣義相對論出現，才有了合理的解釋。現在天文學家又發現太陽的兩極稍扁，並非圓球，對水星的引力可能略有改變，因此預測的準確度還是有些微的差值，大約僅僅0.07 分角而已！這0.07 分角所洩漏的天機是什麼？

　　美國物理雜誌總編輯John S. Rigden稱：「這種芝麻小事，可是物理學上的大事呢！」

　　物理學研究的範圍甚廣，測量的對象也極其繁多，但物理學家總希望由繁化簡，能掌握幾個基本的物理量，如長度、時間、質量和電量等，去描述自然現象。例如運動的快慢是時間和空間的問題；而基本力的來源卻是質量、電量或其他物理量的問題。總而言之，測量和數學的解析，可能是探究自然奧祕的不二法門。