极端的年代_第十八章 魔法师与徒弟：自然科学流派 2

第十八章 魔法师与徒弟：自然科学流派 2

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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，忽然折断。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，愈来愈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实用师的世界，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。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，在电脑的协助之下，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）的理论人员更上层楼。在某些领域，如天文学，仪器技术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，对短促二十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学分道扬镳。这种现象的后果，可由伊然本世纪前半期众科学之后的无上学科——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。不过进入本世纪的第二时期，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，再加以源自上个世纪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。科学家很知道世上有这种“不合科学”的说法，可是作为科学中人，这些“胡说人道”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；可是波点之间，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？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年的巨大工夫，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，并奠定现代孩子物理学的根基，更开创最终成为“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，因为它正标明了“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，粒子物理与牛顿物理无异，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，在本世纪前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“质”，却在无可分解的“量子状态”（quantumstates），能以“波”或“质”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（veIocity）、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，根本无法观察其质性，但是根据钚元素原子本身的电子数，再加上其九十四电子绕行核子的震动频率，就凭这两项资料，再也没有别的，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啊（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（PaulDirac）的“反物质”（antimatter）说为例，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”观念，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，就不是好道理。

可是即使在“新科学”的开路英雄当中，也有人根本不能接受“旧日肯定”时代的结束，甚至包括新科学的开山始祖，普朗克和爱因斯坦两人在内。爱因斯坦本人，即曾以一句名言，一吐他对“纯粹或然率式的法则”——而非“决定性的因果论”——的怀疑：“神，可不掷骰子”。他并没有大道理可以辩解，可是“心里有一个声音告诉我，量子力学不是真理”（M．Jammer，1966，p．358）。提出量子革命理论的各位大家们，也曾企图左右通吃，以一套包一套的说法，去除当中的矛盾之处：薛定谔便希望他的“波动力学”（wave mechanics），可以澄清电子“跳”轨的现象，将之解释为一种能量变换的“连续”过程。如此，便可面面俱到，保存古典力学对空间、时间及因果关系因素的考虑。开拓新科学的先锋大师，尤以普朗克和爱因斯坦为著，对自己领头走出的这条新路正在犹豫之间，一闻此说，不禁大为释怀。可是一切尽皆徒然。新球赛已开场，旧规则再也不适用了。

物理学者，能否学着与这种永久的矛盾相安呢？玻尔认为答案是肯定的，而且势在必行。自然万象的宏大完整，受到人类语言特色的限制，不可能只用单一的描述解释它的全部。描叙自然的模型，不可能只有一种，唯一能够抓住现实真相之道，只有从多种角度以不同方式报告之、集中之、互补之，“将其中外在有差异、内在有矛盾的各方面形容描述，以无尽的组合重叠之”（Holton，1970，p．2018）。这便是玻尔“互补论”（complementarity）的基本原理，一种近似于“相对性原理”（relativity）的形而上学观念，原是他由那些与物理毫不相干的作家的理念得来，并认为此中精神，放之四海而皆准。而玻尔提出“互补论”，并非有意鼓励原子科学家更进一步，却只是一种想要安抚他们的困惑茫然的好意。它的魅力，原在理性之外。因为我们众人，不只是聪明绝顶的科学家们，都知道世间事多繁复，同一种事物，本身便有多种不同方式可以观照；有时候也许不能类比，有时候甚至相互矛盾，但是每一种方法，都应该由事物的整体面去体会立。可是，这种种不同之间，到底有何连结相关，我们却茫然不知。一首贝多芬奏鸣曲产生的效应，可以从物理、生理、心理，多方面研究考察，也可以纯粹通过静耳倾听吸收。可是这种种不同的理解方式之间，究竟如何关联，却无人知晓。

但是尽管多方脱解，不自在的感觉仍然存在。就一方面来说，我们有新物理在1920年的大合成，提供了解开自然奥秘的钥匙，甚至到20世纪后期，量子革命的基本观念也依然继续应用。但是自从1900－1927年以来，除非我们将电脑技术理论造就的“非线性式研究”（non－linear analysis），也视为离经叛道的激烈新改变，物理界可说无甚剧烈变动，却只在同样观念架构之下做演进式的跃进而已。但就另一方面而言，其中却有着总体性的不连贯存在。1931年时，这种不协调的现象，终于扩展至另一学科——连数学的确定性也面对重新考虑。一位奥地利数学逻辑学家哥德尔（Kurt Godel）证实，一组原理永远不可能靠它本身成立；若要显示其一致性或无矛盾性，必须用外界另一组陈述才行。于是证明“哥德尔定理”，一个内部无矛盾、自和谐的世界，根本便属匪夷所思的想象了。

这就是“物理危机”（crisis in physics）——借用英国一位年轻马克思派学人考德韦尔（Christopher Caudwell 1907－1937）大作的书名（这名自学成才的学者，后在西班牙不幸殒命）。这不但是一个“基础的危机”（crisis of the foundations）——正如数学界对1900-1930年间的称谓（参见《帝国的年代》第十章）——也是一般科学家共有的世界观念。事实上，正当物理学家对哲学性问题耸耸肩膀，回头继续埋头钻研他们面前的新领域时，第二阶段的危机却也正大肆闯入。因为到30年代和40年代，显现在科学家眼前的原子结构，一年比一年更复杂。什么正核子负电子的二元原子世界，哪有这么简单。现在原子家族里面，住着一大家“子”，飞禽走兽，万头攒动，日盛一日，冒出各式各样的新成员，其中有些着实奇怪得很哩。剑桥的查德威克（Sir Edwin Chadwick），于1932年首先发现这一大家“子”新成员中的一名，即不带电的“中子”（neutron）——不过其他造“子”，如“无质之子”（massless），及不带电的“中微子”（neutrino）等，在理论上早就推论得之。这些次原子的粒子，如蜉蝣朝露，寿命几乎都很短暂；品目之多，更在二战后“大科学”的高能加速器撞击之下，繁生增多。到50年代末期，已经超出百种以上；而其继续加增之势，也看不出有任何停止的可能。自30年代开始，更由于以下发现，情况变得更加复杂，即在那些将核子及各种电子结合一处的各种带电小子之外，另外还有两名来路不明的力量，也在原子之家当中发挥作用。一个是所谓的“强作用力”（strong force），负责将中子及带正电的质子（proton）在原子核内结合起来；至于造成某些粒子衰变现象的责任，则得怪罪到其他所谓“弱作用力”（weak force）的头上。

在这一切大变动中，在20世纪科学崛起的颓垣之中，却有一项基本事物，而且在根本上属于美学的假定，未曾受到挑战。事实上，正当“测不准”的乌云，笼罩在其他所有方面时，这项假定却一枝独秀，愈发为科学家所不可缺少。他们如诗人济慈一样，都相信“美即真，真即美”——虽然他们对美的取舍标准，跟济慈并不一样。一个“美好”的理论，本质上便是一项对“真理”的推论，其立论一定线条高雅，简洁流畅，其格局必然气势恢宏，纵览全局。它一定既能综合，又能简化，正如历来伟大的科学理论所证明，都是如此。伽利略与牛顿时代产生的科学的革命即已证实，同样一种法则，掌管天，也操纵地。至于化学的革命，也将物质所系的世间的形形色色、万物万貌，简化成92种系统相连的基本元素。而19世纪物理学的胜利果实，也显示在电学、磁学与光学现象三者之间，有其共同根源。可是新一代的科学革命，带来的却非简约，而是复杂。爱因斯坦那不可思议的相对高论，将地心引力形容为一时空曲线，的确将某种恼人的二元质性带进自然：“就一方来说，是舞台——即这道弯曲的时空；就另一面而言，则是众演员——也就是电子、中子、电磁场。可是两者之间，却没有任何联系。”（Steven Weinberg 1979，p．43）在他一生当中最后的40年里，爱因斯坦这位20世纪的牛顿，倾注全部精力，想要找出一个“统一场论”（unified field theory）好将电磁场与引力作用合为一家，可是他却失败了。现在可好，世间忽然又多出了两股显然毫不相干的力量，与电磁场及地心引力也谈不上什么关系。次原子级众粒子的不断繁生，即使再令人感到兴奋，毕竟只能属于一种暂时的、前期的真理。因为不管在细节上多么美好，新时代的原子图，总是比不上旧原子图美观，甚至连本世纪纯讲实际者流——对这种人来说，任何假说，并没有别的判定标准，只要管用就成——有时也会忍不住做做美梦，希望能有一个高雅、美好又全面，可以解释任何事物的“事事通”理论（everything theory）——借用剑桥物理学家霍金（Stephen Hawking）之言。可是这个美梦，却似乎取行愈远，虽然从60年代起，物理学又再度开始认识到这种综合总览的可能性。事实上，到90年代，物理学界普遍相信，他们已经离某种真正的基本层次不远。其层粒子的众多名目，可能可以减化到几种相当简单却一致的子群。