第十八章 魔法师与徒弟：自然科学流派 (第4/11页)

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“帝国的年代”中的某一时期，科学家们的发现发明，与基于感官经验（或想象）的“现实”之间的那个环节，忽然断裂。而在科学与基于常识（或想象）的“逻辑”之间的环节，此时也同时断落。两项断裂，彼此强化，因为自然科学的进步，越来越倚重用纸笔写数学公式之人，而不靠实验室内诸公。20世纪，于是成为理论家指导工程师的世界，前者告诉后者应该找些什么，并且应该以其理论之名寻找。换句话说，这将是一个数学家的世界——不过根据作者得自权威的指点，只有分子生物学，由于其理论依然很少是例外。并非观察与实验降为次要，相反地，20世纪科技的仪器、技术，比起7世纪以来任何一个时期的改变都更巨大，其中有几项甚至因此获得科学界的最高荣誉——诺贝尔奖。[10] 即以一事为例，电子显微镜（electron microscope，1937）和射电望远镜（radio telescope，1957）的发明，便突破了历来光学显微镜放大的限制，使得人类可以更深入地近观分子甚至原子世界，远眺遥远宇宙苍穹。近几十年来，在计算机的协助之下，种种程序过程的自动化，以及愈加复杂的实验活动与计算，更使实验人员、观察人员，以及负责建立模型（model）的理论人员更上一层楼。在某些领域，例如天文学，仪器的进步更造成重大发现——有时却属无心栽柳的意外结果——并由此更进一步推动理论的创新。基本上，现代天体学（cosmology）便是由以下两大发现所促成：一是哈勃（Hubble）根据银河系光谱（spectra of galaxies，1929）分析所做的观察结论——宇宙在不断扩张之中；一是彭齐亚斯（Arno A.Penzias）与威尔逊（Wilson）于1965年发现了天体背影辐射（cosmic background radiation）——电波杂音（radionoise）。但是，对“短20世纪”的科学研究而言，虽然理论与实务依旧并重，指挥全局者却已是理论大家。

对于科学家本身来说，与感官经验及常识告别，不啻意味着从此与本行经验原有的确定感，以及过去惯用的方法分道扬镳。这种现象的后果，可由20世纪前半期众科学之后的极为重要的学科——物理学——的演变一见分晓。诚然，物理学的关心焦点，仍旧是小到（不论死活）一切物质的最小成分，大到物质最大组合的质性结构。就这方面而言，它的地位依然无可动摇，即使在世纪末了的今天，仍旧是自然科学的中央梁柱。不过进入20世纪的第二时期，物理学的宝座却面临生命科学（life science）的挑战；后者则因50年代后的分子生物学革命而完全改观。

所有科学之中，再没有一门学问，比牛顿物理的世界更坚实、更连贯、更讲求方法。但是普朗克（Max Planck）和爱因斯坦的理论一出，再加以源自19世纪90年代放射线发现的原子理论问世，却使其根基完全动摇。古典物理学的世界是客观的，即在观察工具的限制条件之下（如光学显微镜或望远镜），可以对事物进行适当观察。古典物理学的世界也绝不模棱两可：任何一种物体或现象，不是此就是彼，不是如此便是那般，其间的分野一清二楚。它的定律法则，放之四海而皆准，不论微观世界或大天体，在任何时空下均能同样成立。衔接各个古典物理现象的机体，也明白可辨，可以用“因果”关系的名词表达。在这个基本观念之下，整个古典物理学世界的系统属于一种“决定论”（determinism），而实验室实验的目的，则专在摒除日常生活笼罩的复杂迷障，以展现其确定性的本相。只有傻瓜或小孩子，才会声称鸟群或蝴蝶可以不顾地心引力定律自由飞翔。科学家当然知道世上有这种“不合科学”的说法，可是作为科学中人，这些“胡说八道”不关他们的事情。

但是到了1895—1914年间的时代，古典律的世界却被人提出质疑。光束，到底是一道连续的波动，还是如爱因斯坦依据普朗克所言，乃是一连串间断的光子（photons）放射而成？也许，有时候最好把它看作光波——也许，有时候以光点为宜。可是波粒之间，有没有任何关系？如有，又是何种关联？光之为物，“到底”是啥玩意儿？伟大的爱因斯坦本人，在他提出这道难解谜题的20年后也说：“对光，我们现在有两种理论，两种都不可或缺，可是——有一件事却不能否认——尽管理论物理学家花了20年之久，两种理论之间，却仍旧找不出任何逻辑关系。”（Holton，1970，p.1017.）而原子之内，到底有何乾坤？现在众所周知，原子已经不是最小物质了（因此与其希腊原名的意味相反），既非最小，自然也非不可再分之物，其中更有大千世界，包含着更小更基本的各种物质。有关这方面的第一项假定，是于1911年卢瑟福（Rutherford）在曼彻斯特（Manchester）发现原子核（atomic nucleus）后提出——这项伟大发现，可谓实验式想象力的光荣胜利，并奠定现代核子物理学的根基，更开了最终成为“大科学”的先河——他发现原子核外，尚有电子循轨道环绕，正如一个具体而微小的太阳系样。但是更进一步研究，探索个别原子结构——其中尤以1912—1913年间玻尔的氢结构研究为最著名，玻尔本人对普朗克的“量子说”也有所知——却再度发现实际与理论不合。在他的电子，与他自己所说的“各项观念连贯交融，令人称羡，不愧是电动力学（electrodynamics）的经典理论”（Holton，1970，p.1028）之间，存在着重大冲突。玻尔提出的模型虽然不失有效，具有精彩的解释及推测能力，可是却与古典的物理世界大异其趣。从牛顿的机械观点观之，简直“可笑并违反理性”，而且根本否认原子大千世界的内部真相。因为在实际上，电子是跳跃式而非循序渐进，或在不同的轨道出没。发现它的一刹那，也许在此轨道上；下一瞬间，可能又在彼轨道上。来去之间，到底有何玄机？也非玻尔模式所能解释。

科学本身的肯定性，便随着这个“次原子”层次观察现象的过程本身发生改变，随之动摇：因为我们越想固定次原子级粒子（particle）的动向，它的速度却越发变得快不可捉。电子的“真正”位置到底何在？有人便曾如此形容过这方面的努力：“看到它，就得打昏它。”（Weisskopf，1980，p.37.）这种矛盾，即德国那名年轻优秀的物理学家海森伯格，于1927年归纳出的著名理论：“测不准原理”（uncertainty principle），并以其大名传世。而此定理之名，着重在“不准”本身，的确意义非凡，因为它正表明了“新科学”中人的忧心所在。“旧科学”的十足肯定，已被他们抛在身后，“新科学”的一切却那么不可捉摸。并不是他们本人缺乏肯定，也非他们的结果令人怀疑，相反地，他们的理论推演，看起来再天马行空，再不可思议，最后却一一均为单调无聊的观察实验所证实。从爱因斯坦的广义相对论起（1915年），即为如此——相对论的最早证据，应是由1919年英国一支日食观察队提出，队员们发现某些遥远星光，一如相对论所推测，向太阳折射而去。其实就实际目的而言，粒子物理学与牛顿物理学无异，其规律同样可测——虽然模样性质大异其趣——但是至少在原子一级以上，牛顿与伽利略的学说依然完全有效。令科学家紧张的是，新旧之间，却不知如何配合是好。

到了1924—1927年间，在20世纪前25年里令物理学家大感不安的二元现象，却突然一扫而空，或可说一时靠边站。此中功臣，得归因于数学物理一门的崛起，即在多国同时出现的“量子力学”（quantum mechanics）。原子世界之内的“真相”原不在“波”或“粒”，却在无可分解的“量子状态”（quantum states），能以“波”或“粒”任一种状态表述。因此，硬将其编列为连续或间断的动作，根本毫无意义。因为我们不可能亦步亦趋，紧追着电子的脚步观察。现在不行，将来也永远不能。于是古典物理的所谓位置（position）、速度（velocity）、动量（momentum）等观念，超出某个地步便不能再予应用，即海森伯格“测不准原理”所点明的界限。当然，出了这个界限，自有其他观念可循，可以产生较有把握的结果。即（负极）电子，被限制在原子内部，贴近（正极）原子核之下，所产生的特定“波纹”或震动“模式”（pattern）。在这个有限空间里接连发生的“量子状态”，便形成了频率不同却规则清晰的模式，并一如各个相关能量般，可经由计算取得，正如奥地利的薛定谔（Erwin Schrodinger）于1926年时所示。这些电子模式，具有惊人的预测及解释效力。因此多年以后，当钚（plutonium）首次为洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）原子反应堆提炼成功，正式踏上制造第一颗原子弹之途时，虽然所得数量极少，根本无法观察其性质，但是根据钚元素原子本身的电子数，再加上其94个电子绕行核子的震动频率，就凭这两项资料，无须其他，科学家就得以正确估出，钚将是一种褐色金属，每立方厘米的质量约为20克，并有某种电导热导作用及延展性质。至于“量子力学”，也可以解释为什么原子、分子或任何其他由原子出发的更高组合，却能保持稳定；同时也指出，加上何种程度的额外能量，将可改变此等稳定状态。事实上，便曾有人赞叹道：

甚至连生命现象——举凡脱氧核糖核酸的形状，以及各种不同的核苷酸（nucleotides），在室温下皆能抗拒“热运动”（thermal motion）——都是基于这些根本模式存在。甚至连一年一度的春暖花开，也是基于不同核苷模式的稳定性而发生的（Weisskopf，1980，pp.35—38）。

然而这种种对自然现象探索的伟大突破，效果虽丰，却是建立在过去的废墟之上，并刻意回避对新理论的质疑。所有以往被科学理论认定为肯定恰当的古典信条，如今都已作废，新提出的理论虽然匪夷所思，众人却将疑心暂时搁置。这种现象，不只老一代的科学家感到烦恼。以剑桥迪拉克（Paul Dirac）的“反物质”（antimatter）说为例，“反物质”说即是于他发现其公式可以解决某种电子状态之后提出。借用他的公式，可以对带有“低于”虚空空间零能力的电子状态加以解释。于是对日常事物毫无意义可言的“反物质”概念，迅速为物理学家大加采用（Steven Weinberg，1977，pp.23—24）。这个字眼本身，便意味着一种不让任何“既有现实”的成见，阻碍“理论演算”进步的刻意心态：管它“现实”如何，迟早总会赶上理论公式推算的结果。不过，这种观念毕竟不易被接受，甚至连那些早已将伟大卢瑟福的教诲忘在脑后的科学家也不例外。卢瑟福曾经有言，任何物理学说，若不能向酒吧的女招待解释清楚，就不是好理论。