3  科學的極限與真偽

無限的時空

人類是生活在一個相當小的時空範圍之內的生物。就長度來說,除了極少數的籃球選手以外,正常人的身高都在2公尺以下;除了極少數的太空人以外,現代人的活動還離不開地球表面附近萬餘公里的範圍之內;我們的眼睛可以看到一根映著日光的蜘蛛絲,小於萬分之1公尺的微小物件就無法辨別了。就時間來說,一般人的壽命都不會超過百年,幼年時渾渾噩噩,老年時記憶衰退,在百年之外的資料更不可能是親身的經歷;在奧林匹克的百米賽中,或是在賽馬的場合,勝負可能取決於百分之1秒,更短的時間就不是人的感官所能分辨的了。因此,我們可以說,人大致上是生活在從百分之1秒到1百年,從萬分之1公尺到幾萬公里的這樣一個時空範圍內的生物。

文明的進步把人的視野擴大了很多。靠著物理、天文和考古等等的技巧,使我們知道了許多以前無法想像的事物。我以時間為橫軸,長度為縱軸畫成圖3-1。在這張圖中用的是以10為底的對數座標,在座標軸上每增加1小格代表增加為原來的10倍,因此,所涵蓋的範圍由百億分之1秒到1千億年,從10億億分之1公尺到1億億億公里,可以說就是靠著現代的科技,人類時空視野的全部範圍。

當我們旅遊於名山大川或是在飛機上越過太平洋時,常有滄海一粟,宇宙浩瀚無窮,人生渺小暫短的感覺。等到讀了一些天文的書籍,看著夜空中的繁星時,這種感覺就更強了。再讀一些有關核子物理常識的書籍之後又發現更為暫短微小的世界。人實際上是生存在圖3-1中一個相當小的時空範圍之內的生物。這時



候,我們難免會想到,圖3-1就是時空範圍的全部嗎?如果是,邊緣在那裡?如果不是,外面有什麼?這個圖是以我們自己為中心畫出來的。如果以這圖的右上角為中心來畫,畫出來的圖中的右上方有什麼?如果以這圖的左下角為中心來畫,畫出來的圖中的左下方又有什麼?這些都是現代的人答不出來的問題。

極小與極大的世界

在人類文化發展的不同的時代裡,都難免會思考到前面幾個沒有答案的問題。在以狩獵為主的上古時代,或是日出而作日入而息的農耕時代,人們活動的範圍很小,除非發生了大的動亂,很少有機會到大山或大海的另一邊去,必須靠著己有的經驗和知識來思考世界和宇宙的問題。於是出現了天圓地方之類的學說。這也是很自然的事,如果認為地球是圓的,也不是宇宙的中心,反而令人難以接受。現代的人,由於文明的進步,時空的視野擴充到圖3-1所顯示的那麼大。但是,以現有的知識和經驗還是很難瞭解在這圖的上下左右邊緣處的實際狀況,更不用說圖外的一切了。

我們都知道,地球上穩定的元素一共只有九十多種,由於這些元素間的化學結合而形成了海洋中、陸地上以及大氣中所有的動、植、礦物。元素的最小的單元是原子,而原子是由原子核和核外的電子所構成的。原子核主要是由質子和中子所構成的,此外還有微中子、 介子、 介子、光子、等等。我們可以把原子的模型想像成一個極小型的太陽系,電子在不同的軌道上圍著原子核旋轉。這是一個讓我們對原子構造能有初步瞭解的很有用的模型,但只是一個高度地簡化了的模型,一個真正的原子絕不會是這個樣子。原子核裡的中子和質子也不會像番石榴核中的子那樣,一粒一粒地聚在一起。在談到原子和原子核的構造時,我們已經到了圖3-1下方的邊緣地帶。

在還沒有發明放大鏡、顯微鏡之類的工具之前,人類時空視野的下邊邊緣地帶是肉眼可以分辨的萬分之1公尺左右。因此,無法瞭解什麼叫細菌,也無法以當時的知識與經驗來解釋傳染病的現象和烤麵包、造酒時的醱酵現象。目前的情況也很類似,我們無法用古典力學的知識和經驗來解釋原子的構造、原子核的構造、以及質子和中子內部的構造。在如此微小的系統中,一些我們一直遵守著的法律(law)或定律變得不再適用了。能量與質量之間的界限變得模糊不清,變得可以互換了;粒子(particles)和波之間的區別也變得模糊不清,變得可以互換了。天生的好奇心使我們都很想知道,原子核的構造如何,質子和中子又是由什麼構成的?但是我們無法依過去的知識和經驗來想像這些問題,就像古時的人沒有細菌的觀念,中國和西洋的學者都以水、火、木、金、土之類的名詞當作構成世界的基本元素一樣。對這些問題,學粒子物理的人當然瞭解得更為深入,但是我們得先花些時間多學點數學,多讀些基本的知識之後才能聽得懂他們講的是什麼。

我們都知道,地球是太陽系中9個行星中比較小的一個。太陽系的直徑,也就是最外圍的冥王星的軌道的直徑,大約是120億公里。而太陽只是我們的銀河系星雲中上千億顆恆星中的一個。我們這個銀河系星雲大致上呈圓盤形,直徑大約是10萬光年,中央厚,邊緣薄,中央部位的厚度大約是3千到5千光年。而我們的太陽只是在這個銀河系的較為邊緣的部位,距離中心大約26千光年處的一顆很普通的恆星。據估計太陽目前的年齡大約是50億年,預期的壽命是100億年。銀河系星雲好像我們在電視銀幕上看到的颱風的雲圖,是在不停地旋轉,每旋轉一週大約要2億年。因此,在太陽的有生之年,還可以跟在這銀河系星雲裡旋轉二十幾次。我們的這一個銀河系星雲,以人的標準看來真是大得難以想像了,但它只是宇宙中眾多星雲中的一個。目前可以觀測得到的星雲約有1兆個,也就是1萬萬萬個,星雲之間的平均距離是200萬光年。

現在因為光害的關係我們要到相當遠的郊外,海邊、山上,才有欣賞星空的機會。年歲大些的人,都會記得:「銀燭秋光冷畫屏,輕羅小扇撲流螢,天階月色涼如水,臥看牽牛織女星」的景像。那時點的雖然不是銀燭而是簡陋的油燈,手裡握的雖然不是精緻的輕羅小扇而是奶奶的芭蕉扇,但螢火蟲和空中的繁星卻是大家可以共享的。銀河,英文叫milk way,好像水中洒了一條牛奶,雖顯得隱隱約約,卻很容易分辨出來。織女星是夏、秋夜空中的一個一等亮星,在銀河的一側,牛郎星在另外一側,是中間一顆亮星,兩側兩個小星。故事是:中間的亮星是牛郎,他挑著一個擔子,兩端的籮筐中放的是他們的一兒一女,就是那兩顆小星,每到七夕,他挑著一雙兒女去會媽媽。

我們在夜間看得到的星,都是我們自己的銀河系星雲中的恆星。其他的星系,用肉眼只能看到一個。這時候,我們心中難免有一個問題:在更遠的外邊又有什麼?在圖3-1的上方的上方有什麼?在以我們目前最先進的儀器所能觀測到的領域的外面還有什麼?對這個問題,天文學家也許有一定的答案。我們在問這個問題時,有點像原始時代的人思考在大山的外邊、大海的外邊,世界的邊緣在那裡,在邊緣之外有什麼的問題時一樣。以那時人類的知識和經驗,無法想像也無法接受地球是球形的觀念。我們的古典物理學的觀念和定律,不再能適用於原子核內部的微小的世界裡,對於星雲與星雲間巨大的宇宙,是否能夠適用呢?這是一個我不敢隨便作答的問題。

有趣的星空

在晴朗的夜晚,如果能找一個沒有光害的地方去賞星,在現代的環境中,是一種相當不錯的享受。這些繁星,除了月亮和幾個行星之外,都是我們自己這個銀河系中的恆星,它們的亮度不等,與我們距離也遠近不一。天文學家告訴我們,最近的恆星約在4.2光年之外,相當於40兆公里,這真是一個非常遙遠的距離。因為都太遠了,我們在看星空時,無法分辨它們的遠近,使整個的天空好像一個半圓形的鍋蓋,每一個看得到的恆星都好像是掛在這個大鍋蓋上的。許多天象館也都是把光點投射在半圓形的屋頂上來顯示恆星們的位置。

古時的人,沒有光害,沒有必要時又捨不得消耗燈油蠟燭,夜間花在看星的時間一定比現代人多。天上的星那麼多,密密麻麻地,怎麼分辨得出來那一個是那一個呢?看得久了,自然而然地在相對的位置上找到了一些關係,並且編一些故事以便記憶。前面談到的牛郎織女的故事使人容易在夏天的夜空中找到牛郎和織女這兩顆星。人們也常把幾顆星用一個想像的圖案連在一起,稱之為星座。一個很容易找到的星座就是所謂的北斗七星。我們在寺廟的旗幟上,七星寶劍上都常看到它的圖案,好像一個長柄的杓。把杓頭的第一二兩顆星連成一條直線,再延長出去,就可以找到北極星。西洋人把我們的北斗七星再加上附近的幾顆星,連成一個不同的圖案,看上去有點像一隻大熊,就叫做大熊座。包括北極星的那幾顆星,就叫做小熊座。就這樣,大家充份地發揮想像力,在星空中畫滿了許多圖案,也命名了許多星座,也編了許多神話故事。不同時間或地域的人,所連成的圖案、命名的星座、和所編的故事當然不會相同,中國人有二十八宿,西洋人有獅子、長蛇、天蝎、……等等的星座。

現在我們可以瞭解,所謂星座,只是以前的人把天空中位置相近的星組合連接而成的圖案。所給的命名,時間久了也就被大家所接受了,沒有太大的意義。我們在這裡說同一個星座中的星是位置相近的星,意思只是說在星空中看起來位置相近的星。整個星空看起來,或是在我們的感覺上,好像一個半球形的天象館的頂,許多星就好像投射在這屋頂上的光點。若真的是如此的話,一組位置相近的光點就是真的距離相近。但每一個星座中的成員,它們與我們的距離遠近不等,有的大而亮,可能只是因為離我們比較近,有的看起來很小,可能只是因為離我們很遠。我們在地球上無法用肉眼來判斷星座中每一個成員間真正的距離,所看到的,只是投射到一個半球形的大屋頂上之後的距離。因此,一個星座中的成員,它們之間的距離可能非常地遠,相互之間應該談不上有什麼關係。它們都是我們的銀河系中,離太陽系比較近的,還可以看得到的恆星。

星座既然是為了便於記憶辨認而任意組合起來的星群,其成員之間又沒有真正的關係,那麼,一位小姐屬於某某座,她的個性和命運就會如何如何。這是為什麼呢?遇到這類的問題,一些學科學的人往往往只回答:「我不知道。」與人辯論信仰的問題,總是很傷感情的。

赤道與黃道

我們都知道地球以地軸為中心自轉。這個自轉軸所指的北方天空中的位置的附近有一個北極星。我們可以想像一個與地球的自轉軸垂直的平面,把地球平均地分為南北兩半,這個平面與地球表面相交的線就是地球儀上或是地圖上所標示的赤道。這個平面與天球相交的線就是天空中的赤道。現在,我們又把星空想像成天象館中半球形的頂了。

太陽系裡的九大行星都圍著太陽公轉。一個有趣的現象是它們公轉的軌道都大致在同一個平面上。其中只有離太陽最遠的冥王星有17度的傾斜,但冥王星小而遠,肉眼是看不到的,離太陽最近的水星有7度的傾斜。因此,從地球上看,太陽和金星、火星、土星、木星、天王星和海王星都大致上是在天空中的同一條軌道上運行,這條軌道就是所謂的黃道。在黃道上有大致上等距離的十二個星座,就是所謂的黃道十二宮。一個人所屬的星座就是在他出生的月份中太陽所經過的那一個星座。一個人在出生時,太陽、月亮以及九大行星的相對位置怎麼會影響他的個性和命運,是學科學的人很難想得通的問題。

時間的週期性

近來在許多人的言論中常提到廿一世紀,新世紀之類的名詞。在廿一世紀來臨時國家的經濟應該有怎樣的進步,我們將面臨如何的競爭和挑戰,在新的世紀中我們的教育應作如何的改革,…等等。聽起來,時間從廿世紀進入廿一世紀,是全世界人類生活上的一個重要轉捩點。真的是如此嗎?

一日是地球自轉的一個週期,有日、夜、朝、暮之分,因此也是人的作息的一個週期,古時的農人要日出而作日落而息,有人說一日之計在於晨,也有人要等到夜深人靜時才去開夜車趕功課,…。不單人是如此,各種動物,甚至植物,也都被動地把一日,也就是地球自轉的一個週期當作作息的一個週期。

一年是地球公轉的一個週期,有四季寒暑之分,也是人的行為的一個週期,農人講的是春耕、夏耘、秋收、冬藏。有人說一年之計在於春。有人夏天游泳、冬天滑雪。不單人是如此,各種動植物也都被動地把一年,也就是地球公轉的一個週期當作生活的一個週期,何時求偶、何時育雛、何時冬眠;何時開花、結果、落葉,都有一定的時程。

一星期是世界公定的作息週期,一星期有七天,有週日、週末之分。最初訂定時,也許有些宗教上的意義或神話的成份,但因為長短適度,長期下來,已經被世界上幾乎所有的國家所公用了。學校的課程表是以一星期為週期來排的。許多人在工作上的作息也是以一星期為週期來規劃的。有的週休一日,有的週休二日。除了星期以外另外還有一些由許多人公定的時間的週期,例如:一學期,一個會計年度…等等。因此,在我們的生活中,每天要有每天的計畫,每星期要有每星期的計畫,每年要有每年的計畫,…。

但是,一個新的世紀,並不像新的一日、新的一星期、新的一年那樣,是一個新的時間週期的起點。“世紀”並不是一個被大自然強迫訂定的作息的週期,像“日”和“年”那樣,也不是一個人為訂定的作息週期,像“星期”,“學期”那樣。除了捉幾條千禧蟲以外,心理上的意義大於實質上的意義。2000年的11日和1998199920012002年的11日一樣,實質上並沒有什麼不同,但在人們的心理上好像有非常大的差異的樣子。就像一個人,過生日的那一天,和不是生日的任何一天,實質上並沒有什麼不同,過五十大壽時,和過四十九歲的生日實質上也並沒有什麼不一樣。可是,人到過生日的那天總要慶祝一下,過幾十歲的生日時,更要擴大地慶祝一番。對一個個人或是一個社會來說,經常找些理由慶祝一下,吃吃喝喝、玩玩樂樂,讓時間過得多彩多姿,不要總像一台機器一樣,只是工作,本是很好的事。但我們不要真的相信,一大群人敲鑼打鼓祝你壽比南山就真的會壽比南山。要想活得長壽些,還是要自己注意身心的健康。一個社會的健康和進步,也要靠其中每一個成員不斷地投入心力,努力工作;也要不斷地檢討、修正努力的態度和方向。

科學與偽科學

近來有一個熱門話題就是所謂偽科學的問題。要一般的社會大眾在真科學與偽科學之間有明智分辨的能力,不是一件容易的事。這就像想在宗教信仰與迷信之間,或是在政治家與政客之間劃一條明確的分界線一樣地困難。舉例來說,我自己有痛風的毛病。醫生開給我的藥物,是經過科學方法證實過的正確的處方。但這些藥物的效果有限,並不能根治我的毛病。一些朋友知道我有這樣的問題,難免會建議一些偏方。那些建議可以採用?那些試試也無妨?就只能靠自己的判斷了。靠的還是自己的一點有限的醫學和化學等方面的常識。

社會上偽科學充斥,原因之一就是真科學的力量有限。科學雖然愈來愈進步、越來越發達,但用科學的方法不能解決的問題、不能解釋的現象還是很多,使人不得不另想辦法,求助於其他的管道。就像因為醫生的處方不能根治我的毛病,心中就難免產生求助於偏方的傾向。另外一個原因就是我們的科學教育工作做得不怎麼成功。科學雖然發達進步但社會大眾對一些科學上的是非的判斷力卻普遍地顯得不足。升學與聯考的制度把我們的年輕人訓練得能夠很快地在答案卡上劃出標準答案,但對答案的內容並不見得真正地瞭解,也不見得認同。還有一個原因,就是科學講求實證和嚴謹的推理,而許多社會大眾不見得都能花時間把這些推理的過程弄清楚,於是專家怎麼說大家就怎麼信,但誰是真專家誰是偽專家是很難分辨的。因為大家有尋找速食性答案的需求,偽科學便能乘虛而入,而其中牽強附會和欠嚴謹的地方,一般人是不容易挑得出來的。再者,因為科學家的能力有限,又講求嚴謹的推理與實證,所以很難用科學的方法來證明偽科學用牽強附會的方式所得到的結論是錯誤的。例如有人說:我可以通靈,與古人溝通交談。而科學家只能說:我無法證明他所說的話的正確性。於是很多人只好“寧可信其有”了。

偽科學的傳播者中,有的是自己深信不疑,以一種濟世救人的宗教家的心態希望有更多的人能分享自己的心得;但也難免有一些自己心中並不真的相信,目的只是圖些私利。這兩種人也是很難區分的。一個學科學的人,他不會告訴你那些人說的話是錯的,是偽科學,請你不要相信。因為他雖然有他自己的判斷和看法,但也無法嚴謹地證明這些判斷和看法絕對正確,他只能期望大家多讀些科學的基本知識以培養自己的判斷力。

說來說去,重要的事還是科學教育的工作。人文教育和科學教育的目的都是提昇國民的素質,這是在社會進步的過程中,最重要的事。


 

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