三个世纪以来物理科学的思路开展.DOC

三百年來物理學的思路開展 陳 國 鎮 東吳大學 物理學系 一、緒言 物理科學的發展和應用，不僅大幅改善了人類的生活，它的思路開展，也不斷提昇了人類的眼界。大至宇宙的星體的生成，小至原子內部各種微粒的生滅，物質世界的無盡藏，在物理科學家的探索下，大量地被挖掘出來。三百年來一再刷新人類對物質世界的認知，讓我們消除了許多天文、地理和人事的迷惑，同時也獲得了許多的知識和技能。物理科學所揭示的文明前景，直到現在還對人類造成莫大的吸引力。 物理科學的發展，由一個概念轉到另一個概念，由一項技術發展到另一項技術，理論的推斷或現象的發覺，無論何者領先，其轉進的脈絡皆錯綜複雜，很難一言以蔽之。但是從整合的觀念來看，卻可以大略了解它的起承轉合，看到它過去的發展軌跡，以及預期它未來的可能動向。 在這個宇宙裡，比物質的現象更迷人的是生命現象。自古以來人類不停地追求生命的了解，然而所得到的成果，卻一直無法像物質科學一樣明確。生命給我們的感覺，至今還是撲朔迷離，既難以定性也很難定量，想要重複實驗的結果，也幾乎不可能隨時隨地如願以償。 可是生命體畢竟有物質層次的結構，在相當的程度上，它必須遵守物理的定律，所以從生物體的物性研究裡，倒是多少可以看出一些生命的功能。除了從物質層次來認識生命之外，任何生物體的一生，都在心靈的主導下，運用它們所擁有的身體，表現出美妙的生命活動，但是從心靈來認識生命，我們現有的科學完全無能為力。 心靈和物質都是構成生命體的要素，兩者必然有緊密的互動，否則無法表現出靈活的生命行為。然而心與物如何互動？它們之間有什麼為媒介？探討這樣的問題，向來是人類最感興趣的事情。然而心靈是什麼？大家很難有共識，因此不易從這個方向來討論生命的科學觀。 如果我們能從物理科學的思路發展上，將物質層次的觀念稍作認知上的提昇，與意識的層次互相連結，心物互動的生命奧妙，或許可以被揭露。本文想回顧近三百年以來物理科學的思路開展，企圖找到心物合一的可能線索，以幫助我們解釋生命的宏觀現象。 二、牛頓集大成的運動學 延續亞里斯多德、伽俐略等人所留下來的物理科學，經過牛頓全面的思索和整理，對於物體的運動他終於集成著名的三大運動定律。1687年出版的《自然哲學的數學原理》的書中，他闡述物體的慣性、力與運動、作用及反作用等運動三定律。 慣性定律在說明物體的動靜本性，任何物體在沒有外來的作用下，會一直保持它原本的動靜狀態。這種慣性隱含了質量的概念，在《楞嚴經》中則稱這種慣性為「質礙」。慣性定律對物體動靜的辨識，同時也隱含了參考的坐標，以及等速度和靜態的相對關係。 第二定律是在因果律的概念推理下，界定物體的受力(F)，此力導致它的運動產生變化量(dp/dt 線動量的變化率)。彼此有成正比的關係，即所謂F = dp/dt的公式，後人簡化它的條件，改寫成F =ma，這個公式中的a是質量m 的物體受力後所具有的加速度。 第三定律是作用與反作用定律，它在說明兩物體之間施力和受力的互動關係，即作用力和反作用力同時發生、大小相等、方向相反、在一直線上分別作用在對方，所以不會彼此對消掉。 有了牛頓這三個定律，所有生活上所接觸到的物體運動，幾乎都可以理解和掌握。然而更進一步從物體受力的作用，想當然爾必有某種不知名的東西轉移到此物體上，由這樣的想法出發，於是引進了功與能的概念。所謂作功就是一個力如果影響物體的運動速率，則此力即對物體作功。功就是力加諸在物體上的作用量，它會等於物體的動能變化量。 能量的概念和計量，成為了解現象的新思路，這樣的思考模式使運動現象的認知，提昇到更理論化的結構上。於是在數理學家的共同努力下，應用正則方程式和變分法，就建立起哈密頓力學(Hamiltonian Mechanics)。這樣的理論發展，推動著動力現象的高階思惟，讓力學的認知與數學有了緊密的結合，從數學的推演中可以預料現象的發生，形成物理科學決定論的思想發展。 牛頓在1687年《自然哲學的數學原理》的書中，另一項重要的貢獻是寫下萬有引力定律。這個定律在說明，任何兩物體間由於質量所產生的吸引力，與質量的大小成正比，與相對的距離平方成反比。配合前述的運動三定律，於是天上星體的運動，一如地上物體的運動，毫無天壤之別，天體與地物的動態，從此統整在相同的定律下。因此人體的身軀在地球上，雖然小得不見影跡，卻可以藉著這些定律的推算，得知星空中遙遠和無數星體的動態，牛頓的努力大大拓廣了人類對宇宙的認知範圍，使人的心靈知覺能夠縱橫在千萬里的太空中。 三、「天道好還」是真的嗎？ 冷熱的知覺是生物與生俱來的本能，早在15世紀的達文西(L. Da Vinci, 1452-1519)，以及在1593年伽利略都曾發明過溫度計，可是直到1760年布萊克(J. Black, 1728-1799)，才將溫度和熱量的概念分開來，用溫度代表物體的冷熱程度