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上帝與物理
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商品簡介

作者簡介

目次

書摘/試閱

人從哪裡來?要到哪裡去? 宇宙從何而生?結局是什麼? 作者經歷上帝的恩典,將物理學的奧祕一一解析 帶領你認識創造奧祕與恩典
本書兩大主題:「物理」與「上帝」,對許多人來說,前者艱深難懂,後者微妙難測。黃小石博士窮極一生探索鑽研物理學之精髓與對聖經真道之認知,講論「上帝」與「物理」的關係。他以通俗的文字闡明許多物理觀念,清楚扼要的解釋多樣新奇的物理現象,讓非科學領域的讀者逐步了解,以科普的角度觀之,極具啟發性。
詩詞,是我「首先思想的」,是我的喜好; 物理,是我「接著思想的」,是我的方法; 上帝,成了我「最後思想的」,直到如今,是我的嚮往。
黃小石 博士
1940年出生於重慶,戰後隨父母定居台灣,中學畢業保送上台灣大學物理系。大學時期深入思考信仰問題,1962年台灣大學物理系畢業,1964年受洗成為基督徒。1969年獲美國康乃爾大學(Cornell University)物理學博士學位。
1969-1973年,任教於若歌大學物理系(Rutgers University)。
1973-1976年,美國匹茲堡大學訪問學者。
1976-1998年,擔任美國艾克桑石油公司(Exxon) 研究部門物理企劃主管,並從事研究工作。
1990年,獲德國普朗克研究獎(Max Planck Research Prize),並獲選為美國物理學會會士(Fellow頭銜)。
1998-2009年,美國普林斯頓大學資深研員。
2009-2012年,美國普林斯頓神學院訪問學者。
黃小石除了在物理學界的成就外,同時以長老身分在美國紐澤西州的若歌教會(Rutgers Community Christian Church)事奉,為若歌教會創始人之一。曾任華福科技佈道事工主任、眾聖徒協會董事、基督使者協會董事會主席等職。多年來經常應邀到世界各地講演,反應熱烈。
黃小石勤於筆耕,相關論著見於各刊物。中文著作有《真理的追尋》、《苦難的尋思》、《愛的真相》、《善惡的省思》、《生命的追尋》、《信的真諦》、《天河拾貝》、《實存的真象》、《盼望》、《恩典的歲月》等書(皆由宇宙光出版)。
序一
真理的追尋——從物理到上帝 /郭瑞年、洪銘輝

經過一棟棟高聳的摩天大樓,走向高鐵車站的路上,發覺可見的藍天又少了些;坐在快速的車廂內,眼見周遭乘客透過手裡一機與遠方朋友連線,將世界上各樣的資訊滑進手中。這是當今 21 世紀科技城生活的寫照。先進科技已滲透到人類生活每一層面,科技化的世界—人造世界已改造了自然世界。試問,在這樣的世代中,我們還需要相信有上帝的存在嗎?科學與信仰的關係究竟為何?是互相牴觸?還是和平共存?我們願意擠出些許時間來思考嗎?這是本書引導讀者探討的目的。
本書兩大主題:「物理」與「上帝」;前者對許多人來說是艱深難懂的,而後者又是微妙難測的。然而對本書作者黃小石博士而言,卻向來是他心中經常思想與嚮往的。物理(科學)與信仰(宗教)在表面上是兩個很不同的領域,兩門很不一樣的學問,可是卻有許多相同的地方。雖用不同的方法,卻是為要認識同一個真理。故此科學與宗教應當是追尋真理的好夥伴,而不是對頭。其實科學與宗教有彼此互補的地方,愛因斯坦在他 1954 年寫的一封信中說:「沒有宗教的科學是跛的,沒有科學的宗教是瞎的。」宗教與科學若是一味相咬相吞,互不信任,遲早會造成一個又瘸又瞎的社會,既無力成就所渴慕的美善,又看不見自己的無知。
古希臘哲學家亞里士多德認為:「人按照他的本性都有要知道的欲望」,人類共同的欲望,常指向一個客觀的實存,這也正是物理學的目的—想要知道什麼是實存的真象。其實一個指向真神的宗教,是要認識一切實存的來源,宇宙萬物的創造者。藉著祂的啟示,認識實存的真象。
當代物理學家查理‧湯恩斯(美國加州大學柏克萊分校物理系榮譽教授,Maser 發明人,1964 年諾貝爾物理獎得主),長期致力於研究與發現屬靈的實存,在 2005 年獲得了崇高的田普頓獎 (Templeton Prize)。他談述到有關科學與宗教的匯合:科學家渴望知道宇宙是如何進行的?而宗教卻想要明瞭宇宙存在的目的,的確是有目的嗎?那會是什麼呢?宇宙的結構肯定是為此目的而安排的。其實科學與信仰的尋求皆是使用我們的直覺、邏輯、實驗、觀察、感情、靈感,甚至透過啟示以求甚解。至今宇宙尚存著數個懸疑未解的奧袐,例如宇宙中「失落的物質」、人的良知、與自由意志等。科學與宗教必須開放地交談,以了解彼此的異同;一旦發現有不一致時,我們應當努力理解為何如此。
本書引用 17 世紀哲學家弗蘭西斯.培根在其第一本著作《學術的進步》中所言:上帝其實寫了兩本書,不只是一本。當然我們都熟悉祂寫的第一本,那就是《聖經》。但是祂還寫了第二本書稱為創造。宇宙乃是上帝的創造並非無稽之談,因為宇宙中含有許多的耐人尋思線索, 指向它是出於一個智慧的設計(見本書〈設計與巧合〉及〈線粒體〉等篇)。
我們因著信,就知道諸世界是藉神話造成的,這樣,所看見的,並不是從顯然之物造出來的。—〈希伯來書〉11 章 3 節
19 世紀電學之父法拉第論到:「當我思想到自然界裡有許多巨大的力量,每一種力量都足以毀滅人類的生存,但是這些力量卻沉靜地,維持在一種巧妙的平衡之中。不僅沒有危害人類,而且對人類的生活、經濟活動有很大的助益。這樣高智慧的設計,超過語言所能描述,我只能敬畏上帝的智慧。」
他又寫道:「上帝已經給我們一個大自然,這是上帝要我們去學習的一所學校。成為一個科學家對於時代是負有使命的,這使命就是用大自然的知識,去訓練人的心智,使人們培養出終生學習的習慣。」他說:「希望大家不要誤解,而認為既然理智無法洞察未來,理智無法真正找到上帝,人就可以放棄自己應盡的責任;我不認為相信上帝的信心與相信一般事實的信心,有絕對的分別。我認為相信地上的事情和相信天上的事情,是一樣的信心,很多人寧願相信地上的,不肯相信那至高之處的美善,那是人性的軟弱。藉著所造之物來認識看不見的上帝,與藉著所造之物來認識背後的法則,這兩種認識並不互相對立。」
被公認是 20 世紀最偉大的物理學家愛因斯坦,認為宇宙中最令人難以理解的是,宇宙居然可以被人理解。宇宙的可理解性使人類能夠窺測遙遠的過去,並且構思了一幅非常一致的圖畫,來描述這繽紛多元化世界的演變過程,進而導致科學的可能性;數學的抽象結構則提供了了解宇宙的工具。基於宇宙的可理解性,讓基礎科學最終可宣告它能處理「這世界是如此的」,亦提供給科學和神學一個密切的關係。
我們渴望科學能夠告訴我們有關宇宙的歷史和結構。最終,我們不免會問,在這漫長的 138 億年宇宙的歷史後面,有沒有一個目的?或是宇宙的發展有沒有任何意義?死亡是一個結束,或許我們希望在死亡之外,另有一個終極目標(Destiny)!然而人心常常是偏向錯誤的,是絕對客觀嗎?我們嚮往人生至真、至善、至美的境界;然而人生中常充斥著痛苦、患難,但是卻無法抹煞博愛、盼望與信心!
20 世紀量子物理學家普朗克說得好:「科學不能解釋自然的終極奧袐,這是因為至終我們自己也是這奧袐的一部分。」
本書作者黃小石博士窮其一生探索鑽研物理學之精髓,以及從《聖經》真道之認知中講論「上帝與物理」的關係,整理出五大篇,包括理性篇、物理篇、宇宙篇、生命篇、神學篇。內容豐富且精湛:從數學、物理到神學;從原子、電子、夸克,到最近被證實的希格斯玻色子(俗稱上帝的粒子);從宇宙大爆炸理論解釋宇宙的起源,到最新的理論認為宇宙中絕大部分是由「暗物質」和「暗能量」所組成的;從存在細胞裡的天然發電廠—線粒體,到石油寶藏與人類能源的危機。
作者以通俗的語言深入淺出地闡明許多物理觀念,清楚又扼要地解釋了多樣新奇的物理現象,讓非科學領域的讀者亦能逐步了解,並且生發出對物理科學更深的興趣與喜好,從科普的角度而言,這是一本甚具啟發性的好書。十分有趣的是,根據物理當今的認知:宇宙是超過三維以上的多維空間,黃博士臆想在高度空間裡的主進入到三度空間中的投射(切面)。並且,他以熱力學第二定律對於天堂的特質作了若干的揣測與推想,此洞見在當代屬靈文獻中確屬難得。
特別值得強調的,在「神學篇」中作者對於真理的真義與追尋有非常深刻的闡明,更是感動了我們的心靈,謹將其精華節錄如下:一切知識尋求的終極目標乃是指向真理。真理,按其定義即是一種真實合理的信念。宇宙中有真理的存在,意味著宇宙是有目的的;倘若如此,那使得真理存在的,豈不希望我們能認識真理呢?再者,《聖經》中的「認識」不只是一種理性的認知,更是一種生命的體驗。耶穌基督宣告說:「我就是道路、真理、生命。」(〈約翰福音〉14 章 6 節)祂不但自稱是真理,祂更是來呼召世人歸向真理,所以生命的主要我們來認識祂,同時祂也給我們一條可行的路到真理的天父那裡去。在人的心中,造物者已安置了尋求真理的欲望,要我們尋找真理,因為祂就是真理的源頭,凡尋找真理的人,就必「聽祂的話」;遵行祂的話的人就是愛祂的人,找到在愛中豐盛的生命,好讓創造主的心意在我們受造的生命中得以成全。
上帝是萬物的創造者,自稱是「自有永有」的那一位,祂是一切實存的證據、萬物的目的與起源。祂是那終極的實存:是物質宇宙、一切真理和自然律及心靈世界的源頭。除非我們真正認識祂,否則我們將無法知道祂創造的目的,然而上帝極其樂意將祂自己與祂的心意啟示給我們。
對於造物者而言,雖然我們沒有任何權利要求祂需要有像一切被造物一般的性質,可以用我們的五官來認識,可以用我們的儀器來測量;但祂仍然藉著「道成肉身」來到人的世界,以祂的死與復活在我們的歷史裡留下清楚又深刻的痕跡,而且祂在祂所造的宇宙浩瀚的星空中,在生命的奇蹟裡,在巧妙安排的自然律的設計裡,在人心中對於愛的渴慕,對於真、善、美的追尋,對於永恆的嚮往,並在我們的心中內尋找祂的本能,讓我們知道祂在那裡。這位「自隱的上帝」,也一直在我們心中引導我們不斷地尋求祂。透過信心我們與神交往,使我們得以看見那個實存—真實的存在。
上帝的事情,人所能知道的,原顯明在人心裡,因為上帝已經給他們顯明。自從造天地以來,上帝的永能和神性,是明明可知的,雖是眼不能見,但藉著所造之物就可以曉得,叫人無可推諉。——〈羅馬書〉1 章 19-20 節
科學是救主基督所賜給人的祝福,撥正了多罪的咒詛,促進人類文明的進步。科學推廣的原動力可追溯至基督信仰的教義:「信心與行為」。自 15 至 21 世紀,科學之迅速進展主要發生在基督教盛行的西方世界,繼馬丁路德宗教改革與文藝復興之後。許多敬虔的西方科學家基於敬畏神,渴望認識祂創造宇宙萬物的法則與奧妙,他們鍥而不捨的努力,奠定了科學發展之基礎,例如:16、17 世紀的克卜勒、哥白尼、伽利略,17、18 世紀的牛頓,19 世紀的法拉第、馬克思.威爾,20 世紀至今的愛因斯坦、查理.湯恩斯、約漢.普金宏等人。根據統計,在 20 世紀以前,科學界最有貢獻的三百位科學家當中,85% 皆為基督徒。然而我們注意到,科學體制的形成並沒有發生在以下這些地域與思想,例如:回教國家(宿命論);佛教、印度教國家(空,無);偶像、多神地域(混亂無序);後現代思想(無邏輯、無意義、無絕對性)。
20 世紀的文學與思想家赫胥黎在其著作《美麗新世界中》中論到近代科技世代人類落入的光景:由於人類未經深思熟慮就全盤接受科技文化,導致科技由統治者之意志滲透到人類生活的每一層面。科技化的世界改造了自然世界,人類生存在毫無尊嚴的科技新世界中而迷失了自己。人類將無法在沒有自由、選擇、愛情、倫理、宗教、藝術的屬靈困境中存活。這是否是今日海峽兩岸三地華人生命普遍的寫照?
中華民族幾千年來擁有多項發明與技術,卻在近百年西方的船堅砲利中無奈地承認,西方科技之優越駕凌於吾國之上,喪失了我們民族的自信心。我們誤以為追求高科技的文明與物質生活的富裕,即可提昇我們的國力與地位,重建我們的自信。本書清楚地指出科學發展的真正源頭、動力與方向皆須回歸到敬畏上帝的原始點,建立在基督信仰之根基上;因此,科學精神與科學文化方能正確地落實於我們的社會與生活中。
願上帝透過這本書,厚厚賜福與每一位有心尋求真理的朋友!   
(本文作者分別為國立清華大學物理系教授、國立台灣大學物理系教授)

序二 
求知是一條永遠也到不了終點的漫漫長路——序《上帝與物理》/林治平   

知名的物理學家、普朗克研究獎 (Max Planck Research Prize) 得主、美國物理學會會士 (Fellow) 黃小石博士,對宇宙光的讀者而言,想必不會陌生。因為從 2004 年起,黃小石博士每年都在宇宙光的邀請安排之下,不遠千里專程從美國東岸新澤西州前來台灣,擔任「韓偉紀念講座」的特約講員,巡迴全台,在各大學或教會舉辦有關「科學、理智與信仰」的專題講座。由於黃小石教授學貫中西,不僅在專業科學領域有深厚造詣,成就斐然,獲得專業學界人士的肯定敬重;在他的演講中,他也善於引用古今中外哲學、文學名家思想
言論,熔於一爐,娓娓表述,令人渾然不覺,易於吸收領悟。更精采的是他更會信手拈來,把他生命歷程中點點滴滴的真實故事,加入他的演講中,摻揉融合,成為一體,使聽眾諸君在他恣意談吐揮灑之間,但覺春風沐面,心滿意足,不知不覺也沉入身、心、靈、體整全思考探索的旅程之中。
更令人佩服的是除了精采的演講外,黃小石博士更能提起筆來,每年出版一本專書,把他一生遍讀群書、苦思冥想、歷練領悟的生命經驗,化為一行一行的文字,真實無隱的呈現在你我面前。這些文字站在你面前,好像一面面神奇的鏡子,開始看有點模模糊糊,只覺有個人在那兒拼命掙扎,看久了逐漸清晰,才發現自己竟也正輕鬆寫意地在鏡中消遙,好不快慰。從 2004《真理的追尋》開始,跟著來的有《苦難的尋思》、《愛的真相》、《善惡的省思》、《生命的追尋》、《信的真諦》、《天河拾貝》、《實存的真象》、《盼望》、《恩典的歲月》等書,再加上今年這本《上帝與物理》總共 11 本,如此淵博的學問功夫、如此豐富的生命經歷、如此堅持的心志毅力,怎能不令人佩服!
在這本《上帝與物理》的新書中,黃小石博士依然像他一貫演講寫作的風格,行筆輕鬆,雲淡風輕地和讀者分享他生命中最為嚴肅的終極議題。一開始讀者會不經意地大口大口的吞了進去。等到入口之後,細加咀嚼思考,才發現其實作者落筆嚴謹謹慎,一字一句,邏輯考證,推理明確,是典型的科學家理路思考,一點馬虎疏忽不得。讀這本書可以看到一個科學家求知之渴,誠如黃小石博士在這本書中引經據典的告訴讀者,求知是一條永遠也到不了終點的漫漫長路,每次當科學家殫精竭慮,連跑帶爬地到達求知旅程中的某一驛站時,氣還沒喘過來,卻發現前面還有無限旅程等待著他繼續跑下去。作為一個誠實的生命路途上的跑者,他會越跑越發現當跑的路還長得很呢!區區如我輩,別說永遠跑不到終點,連下一個驛站在哪兒都搞不清楚。難怪飽學博學如黃小石博士者,會虔誠敬畏地來到上帝面前,成為一個奔走各地,傳揚福音的使者。
正如過去十年的習慣,黃小石博士希望我為他這本新書寫序,拜讀再三,除了對作者的淵博學識、流暢文筆深感佩服以外,更令我感受到的是隱藏在作者筆墨之後那股熊熊燃燒的靈魂生命之火。我在那裡看到了作者面對上帝—物理的始源創造者的謙遜敬畏之情。我在黃小石博士 2011 年《實存的真象》那本書的序中談到,讀黃小石的書你會有「懂?不懂!」的困惑,記得我是這樣說的:
讀著讀著你會忍不住讚嘆造化之奇,了悟宇宙無窮浩渺精微之奧祕。然而當你正以無比驚訝讚歎,自以為了解了洪荒宇宙的奧袐奇幻時,卻有一股更大的困惑與不解,從心中忽焉湧至;你會發現,知道得越多,正是另一個更大的疑惑、不知形成的開始。越知就越不知,越懂就越不懂。⋯⋯讀小石兄的書,的確會讓你懂得許多你以前不懂的東西,但我保證你懂了這些東西以後,又會陷入更多的不懂之中。黃小石寫的書,會讓你一直陷在「懂?」與「不懂!」的循環中。
黃 小石博士一生精研宇宙物理現象,深入思索探討生命意義與價值,讀他的書你會發現,其實他也一直在「懂」與「不懂」間掙扎徘徊,因此在他的書寫之中,提出了許多一針見血、決疑解惑的經驗之談,值得參考學習。我相信不僅黃博士如此,所有有心探索生命意義、追求了解宇宙奧祕的人都會有相同的經驗。
讀黃小石博士這本書的同時,保羅在〈哥林多前書〉1章 18 至 29 節所講的那一段話,一直反覆浮現在我的腦海心際:
十字架的道理,在那滅亡的人為愚拙;在我們得救的人卻為上帝的大能。就如經上所記:我要滅絕智慧人的智慧,廢棄聰明人的聰明。智慧人在哪裡?文士在哪裡?這世上的辯士在哪裡?上帝豈不是叫這世上的智慧變成愚拙嗎?世人憑自己的智慧,既不認識上帝,上帝就樂意用人所當作愚拙的道理拯救那些信的人,這就是上帝的智慧了。⋯⋯但在那蒙召的,無論是猶太人、希臘人,基督總為上帝的能力,上帝的智慧。因上帝的愚拙總比人智慧,上帝的軟弱總比人強壯。弟兄們哪,可見你們蒙召的,按著肉體有智慧的不多,有能力的不多,有尊貴的也不多。上帝卻揀選了世上愚拙的,叫有智慧的羞愧;又揀選了世上軟弱的,叫那強壯的羞愧。上帝也揀選了世上卑賤的,被人厭惡的,以及那無有的,為要廢掉那有的,使一切有血氣的,在上帝面前一個也不能自誇。
保羅是一位遍歷人生起伏,讀破萬卷書,閱歷智慧超人一等的聰明人。在教會中,在整個人類歷史發展的過程中,他的影響力無與倫比。這樣一個絕世聰明、智慧超絕的人,面對上帝、面對真理,卻說出這樣一段發人深省的話,真值得我們誦讀再三、身體力行、全心領會。讀黃小石博士的書,亦當如是。
(本文作者為中原大學榮譽退休教授)

自序
上帝與物理

高懷見物理。——杜甫〈贈鄭十八賁〉
——杜甫〈贈鄭十八賁〉
筆者生在戰亂期間,未能接受完整的小學教育,先父教了我一些詩詞代替「國文」,我非常喜歡,可以說我「首先思想的」是詩詞,進了中學愛上了化學,又碰見一位志同道合的摯友蔣淨根,化學便成為我青少年期間最著迷的事。到了要進大學的時候,知道化學的複雜(尤其是有機化學),乃決定去學更基礎(簡單)一些的物理,這可以說是我「接著思想的」,這個決定使得我這一生約有五十年的時間花在物理上面;之後進了研究院接受了耶穌,上帝就成了我「最後思想的」,一直到如今。這是我生命的過程,這三件重疊的思維,也構成了本書的主題。
詩詞,這「首先思想的」,是出自人內在的感情,是主觀的,是以己為中心的;物理,這「接著思想的」是基於對外界的觀察,理性的分析,是客觀的,是以物為中心的;上帝,這「最後思想的」是綜合前面兩種思想,以萬物的創造主宰——上帝為中心的。詩詞是我的喜好,物理是我的方法,認識真理是我的嚮往。耶穌回答羅馬巡撫彼拉多的審問時說:「你說我是王,我為此而生,也為此來到世間,特為給真理作見證。凡屬真理的人,就聽我的話。」真理不只是一個概念、一個想法,也是與我們息息相關的,是具體的;是愛,是涵蓋整個宇宙(包括我們的感情、思想);是我們的起源,也是我們最終的歸宿。
就先從物理開始吧。物理一詞出自拉丁文 physica,這字是從希臘文 physika 得來,乃是「自然之物」的意思。中國古書中最先把「物」與「理」一起提到的,可能算是《莊子》,在《莊子‧天下》篇中說到「判天地之美,析萬物之理」,的確,物理不但是合理的,也更是美的;合理的,也更是美的;物理是需要分析的,也是應當欣賞的,因為研究的對象本來就是美的。物理之所以「迷人」,乃因為自然是極其迷人的。
很多人以為物理很難,其實物理在各種學科中應該是相對比較容易的。任何一種科目,若是有某種大家都能同意的「標準答案」,都算是比較單純的。或許因為我們不熟悉它的思維方式和語文,所以才覺得它難。物理有點像是一種外國語文,比方:物理學裡的「力」與我們「使勁」是兩碼事,「力」是一種「向量」(有方向的量;方向不一樣的力,就是不同的力)。「力」是以物體的「加速度」乘上物體的質量來定義的(慢下來也是加速度,只不過是負的加速度,又因為力是個向量)。質量與重量不同,沒有重量的物體仍然是有質量的;質量與質量之間有吸引力,正比於其質量;質量的大小也決定「動量」的大小(質量乘上速度,也是向量,因為速度是有方向的);這決定動量(慣性)的質量,與這決定引力的質量,剛好是一樣的(實驗決定的結果),若不然就有得頭痛了。
每當我企圖解釋一些物理的概念,但是常常不能講得很清楚,因為物理的語文是數學,不是中文也不是英文,對任何人都算是一種「外文」。了解到這一點,是簡化物理的開始。另外一個很重要的因素是「物理概念」的定義,通常是一個數學公式,或者是以一種操作的方式來表明。比方說:要說明「時間」是什麼,得以如何測量時間來定義。這也就是為什麼來自不同語系、不同國家的物理學者,談物理總是可以談得通。
物理研究的對象是「合理」的,自然界沒有什麼理由需要合乎我們自以為是的「理」;同時自然界的「理」也是「普及」的、永恆的。所以物理在任何地方、在任何時間都是一樣的。當然物理沒有理由一定要是如此,但是它若不是如此,物理也沒有什麼好研究的了。有人認為,一種文化若是相信自然是出自一位「講理」的永恆創造者之手,這種文化中的物理科學往往比較先進。中國人、印度人、希臘人的古文明都非常發達,人也聰明,但是總不能有系統地發展物理。其實中國人早已知道物理是一種建築在測量上的知識。我國 17 世紀的哲學家王夫之 (1619-1692) 就說:「蓋格物者,即物以窮理,唯質測為得之。」也許他們認為自然是什麼就是什麼,沒有一定的邏輯規範,以致有蘇東坡的「楊花入水化浮萍,驗之,信然」的說法。這不是說我們不能作物理,而是不知道物理是值得去研究的學問。
一旦我們相信:不同的自然現象都是出於同一位創造者的手筆,就不難相信這些不同的現象都是可以相連的。以筆者的博士論文為例,原是要研究兩種液體的「臨界現象」,就比方水與油,它們在常溫是不能互相溶解的,油總是會浮在水面上。但是若把定量的油和水放在密封的管子裡,然後加溫,當溫度夠高,水和油就彼此相容了(可以想像當溫度夠高,水和油都變成氣體,兩種氣體都是互容的);若是溫度繼續不斷增高,水的分子與油的分子也都分解,管子裡就只有氫和氧了。若溫度再繼續增高,連質子、中子都分解成為夸克、膠子和能量,就不再有氫和氧的區分了。若是溫度仍然繼續升高,那麼所有的物質就都分解為能量了。按照大爆炸論,這就是相當於宇宙剛開始時候的光景,宇宙處於一種高度勻稱 (symmetrical) 的狀態下(當然更不用說當時沒有若溫度再繼續增高,連質子、中子都分解成為夸克、膠子和能量,就不再有氫和氧的區分了。若是溫度仍然繼續升高,那麼所有的物質就都分解為能量了。按照大爆炸論,這就是相當於宇宙剛開始時候的光景,宇宙處於一種高度勻稱 (symmetrical) 的狀態下(當然更不用說當時沒有水也沒有油了)。
然而當宇宙溫度漸漸降低,就慢慢失去這勻稱的狀態,開始分門別類,產生了許多不同的物質與力場。愛因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955) 的夢想就是:有朝一日,人能夠找到一個可以解釋一切物理現象的定理,能夠把重力場與電磁場統一起來(電磁、強交互作用、弱交互作用現在已經統一,稱為「標準模式」(standard model)),這就是他夢寐以求的「統一場論」(Unified Field Theory)。我們不知道至終這理論會是什麼,但是大部分的物理學家都相信這理想必然有一日會實現,能夠解釋宇宙中各種形形色色、五花八門所有的自然現象。
宇宙可以是這麼複雜,卻又是這麼簡單,為什麼它是如此?這答案雖不在物理的領域中,卻是來自物理深處的呼喊。法國偉大的數學家龐加萊 (Henri Poincaré, 1854-1912) 說得好:「科學是建築在事實上,就像房子是用磚頭建成的;但是正如一堆磚頭不是一棟房子,知道許多事實也一樣不是科學。」只知道事實,這並不是科學的終極目的。
也許正如《聖經》所說:「諸天述說上帝的榮耀,穹蒼傳揚祂的手段。」因而使得天文學家特別醉心研究天體,為要察覺造物者的榮耀。美國天文學家瑪麗亞‧米切爾(Maria Mitchell, 1818-1889) 說:「每一個表明自然律的方程式,都是讚美上帝的詩篇。」制訂行星三定理、有「天文學之父」之譽的克卜勒 (Johnnes Kepler, 1571-1630) 在他《和諧的世界》結論中說:「主啊,祢藉著光更增長我們對認識祢榮耀的恩典之光的渴慕。我感謝祢,創造的主宰,因為祢藉著祢的創造,使我喜悅,讓我能以祢手所造的為
樂。」
阿們。
序一 真理的追尋——從物理到上帝/郭瑞年、洪銘輝
序二 求知是一條永遠也到不了終點的漫漫長路——序《上帝與物理》/林治平
自序 上帝與物理

理性篇
我的老師
美與物理
奇妙的數學
因與果
悖論
薛丁格的貓

物理篇
電子的故事
狄拉克與反電子
原子的故事
上帝的粒子
黑暗的世界

生命篇
坐看雲起時
人生第一口氣
白髮三千丈
自組結構與生命
線粒體——細胞裡的發電廠
蛋白摺疊
另類黑金——石油與人類的前途
珊迪之夜
宇宙篇
萬物的起源
宇宙簡史
大爆炸論的證據
設計與巧合
羅素的茶壺
神學篇
神蹟(自隱的神)
霍金博士的預言
真理的呼喚
物理與神學
天 堂

跋 /黃子嘉
致謝
美與物理
判天地之美,析萬物之理。
——─《莊子‧天下》
真理是美的,這不僅是藝術家的感受,也是許多物理學家的信念。預測正電子存在的狄拉克 (Paul Dirac, 1902-1984)博士於 1956 年 10 月 3 日在莫斯科大學演講時,有人問他對物理的看法,狄拉克在黑板上寫下:「物理的定理,應當具有數學的美。」 據說這片黑板至今仍被保存著(筆者在網路上見到它的照片,圖一)。
天才物理學家蓋爾曼 (Murray Gell-Mann, 1929- ),他曾於1957 年寫了一篇關於「弱交互作用」的論文,發現與當時七個實驗的結果都不相合,不過據他自己說,這理論的公式太美了,一定是對的,所以還是把這篇論文發表了;後來發現那些實驗都錯了,當他五十幾年後講到這段故事的時候,還是得意得不得了。物理是美的,他說;而且他還說有一次愛因斯坦評論一篇論文說:「這理論(公式)這麼醜,一定是錯的。」愛因斯坦的兒子漢斯 (Hans Albert Einstein, 1904-1973),也說他的父親對物理理論的評價不是「對不對,而是美不美」。他甚至說:「我真正想要知道的是:上帝能不能以另一種方式創造這個世界;也就是說,要求邏輯的簡潔是否仍留下給祂任何一點創造的自由。」對愛因斯坦而言,在簡潔與美的要求下,似乎這就是唯一可能存在的宇宙了。
到底什麼是「美」呢?我們不都是情人眼裡出西施嗎?美有客觀的標準嗎?古代希臘哲學家對美的看法是:「對稱,均衡,和諧。」(symmetry, proportion and harmony) 均衡是指長短、大小的比例剛好,也就是「勻稱」的意思。根據近來一些學者的研究,人的美是在乎器官的對稱,我們可以了解一個人有兩個很漂亮、但是不一樣(不對稱)的眼睛,不但不美,而且可怕。然而一個「姿色」普通的人,由於長得非常的對稱,根據他們的調查統計的結果,卻能得到很高的評價,被多數人認為是「美」。對稱若再加上「勻稱」,這就是大美了。
愛美既是人的天性,造物主也把「美」在所造之物中顯示出來。人內部的器官是不對稱的,心偏左,肝偏右,連兩個肺都長得不一樣(因為心偏左)。但是人的外表,看得到的,尤其是臉,極具悅人的對稱性。其實對稱與勻稱不只是讓人覺得身體的美,自然界的美也常是如此。礦石晶體、雪花的美,都是對稱的美,這不是一坨爛泥所能比的。又比方鸚鵡螺外殼,其縱切面結構極為優美,顯示有規律的螺線,同時與神祕的「黃金分割」比例 也有密切的關係。這些美感似乎是內建的,在 2004 年有人調查世界十七個不同國家的人,問他們對顏色的偏好是什麼,結果最多人回答是藍色(40%),其次是紫色 (14%),就已少得多了。美,雖然是見仁見智,但卻有相當的共識性。從形狀來說,對稱、簡單(其實這也是一種對稱),不會過時,及一種不能定義,但是可以同意共有的感受。物理的美,也多多少少就是這麼一回事。
費曼 (Richard Phillips Feynman, 1918-1988) 博士是一位多采多姿的物理學家,當筆者 1963 年來美求學的時候,他已離開康乃爾往加州理工大學教書了。1964 年他回來給了一系列的演講,題目是「物理定律的特質」,當他討論重力定理時,他說:「最叫人驚訝的事實就是:重力(定理)是很簡單的……它是簡單的,所以它是美麗的。」 簡單是物理之美的第一要素,物理的美,乃是源於自然界的本質是美的。偉大的日本物理學家湯川秀樹 (Hideki Yukawa, 1907-1981) 於1959 年在莫斯科大學曾說:「自然的本質是簡單的。」然而重力定理真如費曼所說的那麼簡潔明瞭嗎?
傳說在 17 世紀倫敦大瘟疫期間 (1665-1666),23 歲的牛頓從劍橋回到英國東部林肯郡 (Lincolnshire) 的家鄉避瘟,一日坐在一棵傳奇性的蘋果樹14 下,樹上掉下一顆蘋果,落在他那更傳奇性的頭上,叫他忽然醒悟過來,了解到那叫蘋果掉下來的力量,就是那拉住月亮繞著地球轉的力量。這是一個天才了不起的眼光!……

大爆炸論的證據
太初有道,道與上帝同在,道就是上帝。
—─〈約翰福音〉1 章 1 節
不得已的理論
目前天文物理學家對宇宙起源的看法,基本上都是採取「大爆炸論」的觀點,相信宇宙是在 138 億年以前忽然開始的。宇宙有個「開始」是個彆扭的概念,意味著宇宙萬物從前並不存在。宇宙是所有時間與空間、物質與能量的總和,宇宙如果有個開始,那就得問宇宙是哪裡來的?怎麼從什麼都沒有的狀況,變成現在一切都存在的狀況。物理界一些最廣泛的定理就是「守恆」律 (Conservation Laws):動量守恆、電價守恆、質能守恆等等,換句話說,「有」的,就一直繼續「有」下去;沒有的,也就一直繼續沒有下去,宇宙這麼大的實存,怎麼會無中生有的呢?目前這仍然是個很大的科學問題,有些專家相信宇宙可能是源於一種量子「真空波動」(quantum vacuum fluctuation),從「借來」的能量中產生的。不過「真空波動」也已牽涉到「空間」的概念,在沒有宇宙之前,時間與空間也都還不存在,又何從來的「真空波動」呢?這問題就留給專家們去傷腦筋罷。
既然有這麼大的問題,為什麼科學家會相信宇宙大爆炸論呢?不得已也。「大爆炸論」的確是有很好的理論基礎與觀測證據的,略舉五、六點如下:
□晚上的天空是黑的
筆者小時候怕黑,所以也怕夜晚。晚上為什麼這麼黑呢?後來知道這可不是個小問題。晚上天會黑,與宇宙的有限與其起源都大有關係。筆者曾在拙作《天河拾貝》中討論過這個問題,擇要如下:「晚上為什麼天會黑」是有名的「奧伯斯悖論」(Olbers’ Paradox)。原因是:宇宙若是均勻的(就是說:宇宙中的任何一個地方的環境大體上都是一樣的),那麼從宇宙中任何一個地方所觀察到的星球分佈,基本上也都是一樣的;那就是說:星球的分佈密度從大處著眼,則到處都應當是一樣的、都是均勻的。在這個天文學的基本假設下,從地球上任何一個方向望出去,在一個無窮大、無限久的宇宙中,我們的視線也一定會終止於某個星球的表面;再假設一般「主序星」星球表面的平均亮度,都與我們的太陽相似(絕大多數的恆星都是「主序星」),略作簡單計算,就可以發現夜空應當如同十萬個太陽當空那樣明亮才對。
既然夜空是黑的,宇宙必不是一個無窮大的實存,又因重力彼此相吸的緣故,它在有限的時間裡必會塌陷,所以它也不能是個無窮久的實存,所以我們的宇宙是有個開始的。夜空是黑的不能證明大爆炸論是真實的,但是大爆炸論若是真實的,晚上的夜空應該是黑的。
□宇宙紅移現象——代表宇宙空間在膨脹
宇宙大爆炸論的開端就是首先出於宇宙空間在膨脹的觀察。我們已經知道當光源若是離開觀察者而去,它的光譜就會向著長波長的方向移動,這就是「紅移現象」。光源移動的速度愈高,光譜紅移的程度也愈多。哈伯博士發現離開我們愈遠的星球,它的紅移也愈多,離開我們的速度也愈快,正比與它們離開我們的距離,這就是有名的哈伯定理 (Hubble Diagram)。
哈伯定理證明宇宙在膨脹。試想有 3 顆星,A、B、C 同在一直線上,A 離開我們 100 萬光年,B 200 萬光年,C 300萬光年。我們測量到 A 離開我們的速度是 SA,那麼 A 的紅移將會是 H 個單位;B 離開我們的速度是 2SA 個單位(因為它離開我們遠一倍),紅移就是 2H;C 離開我們的速度是 3SA 個單位,紅移是 3H。從 A 星來看,它離開我們是100 萬光年,它觀察地球離開它們的速度與,我們觀察它們離開我們的速度是一樣的,都是 SA,它們也必看見我們的光譜紅移為 1 個單位。它們看 B 星的距離也是 100 萬光年,B星離開 A 星的速度也是 SA (= 2SA - SA),所以紅移也是 H,C 星離開 A 星是 200 萬光年,它們相對速度是 2SA (= 3SA -SA),所以紅移是 2H,也是正比與它們之間的相對距離。換句話說,哈伯定理在宇宙任何地方都是對的,因為宇宙整個空間在均勻的膨脹。星與星之間的相對位置並沒有改變,只是它們之間的相對距離增加了某個倍數(就是空間膨脹的倍數)。……

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