量子論帶來的物理革命

  「上帝下玩骰子。」一九二○年代,當愛因斯坦和波爾(N.Bohr)進行量子論的歷史性論戰時,說了這句名言。

  愛因斯坦原是量子論的奠基者之一,他的電磁輻射理論是量子論的基礎,而「量子」(quanta)一詞亦由他率先提出。但後來他卻極力反對量子論,這不只是觀念的問題,還涉及到一個偉大科學家的「心情」。

  二十世紀初,當科學家開始探測原子與次原子世界時,發現原有的物理概念,乃至思考模式都無法描述奇妙的原子現象,整個物理學界陷入痛苦的迷惘中,照孔恩(T.Kuhn)的說法,就是古典物理學的「典範」出現了危機。愛因斯坦當時的心情是:「我覺得地面好像被掀起來似的,我們已看不出任何穩固的基礎,可將我們的理論建基於其上。」

  量子論就是為了描述原子現象而出現的新典範。它是由愛因斯坦、波爾、浦朗克、海森堡、薛汀格、鮑立、紐曼等多位物理學大師點滴建構起來的,包含了數種革命性的觀念。其中一個觀念認為,次原子的「行為」──譬如一個電子要從一個軌道跳躍到另一個軌道乃是不可預測的,我們永遠無法確知哪一個電子要在什麼時候從哪一個軌道跳躍到另一個軌道,它們的發生是「自發性」與「偶然性」的,我們頂多只能預測其「或然性」。

  「上帝不玩骰子」針對的就是這種觀念。愛因斯坦也許認為,上述的解釋比沒有解釋更糟,因為那無異在暗示宇宙的基礎是建立在「盲目的力量」上。對畢生獻身於探究宇宙奧秘的偉大科學家而言,這樣的一個結局,實在是「心情」上難以接受的苦果。

  因此,愛因斯坦又說了另一句名言:「上帝也許是狡猾的,但卻絕不是惡意的。」在餘生裡,他曾多次去敲狡猾上帝的大門,想從看似偶然與盲目的現象裡,找出「決定」次原子行為的明晰因果關係,統合大宇宙與小宇宙,可惜並未成功。

 

操作性偶然與本質性偶然

  「上帝不玩骰子」是一個奇妙的隱喻。

  在實際操作上,拋擲出去的骰子會出現幾點是偶然的,我們只能預測它的或然性。但從理論上來說,如果我們知道骰子在手掌中的位置、手腕揮動的方向及速度、肌肉的抗拮及協調動作、皮膚的摩擦力、骰子滾入空中所引起的氣流騷動、骰子撞擊桌面所產生的熱量、方向及速度的改變,也就是說,如果我們能精確算出骰子擲出及落下過程中的各種作用力,那也「應該」能精確測出它會出現幾點。

  理論上,骰子遊戲就像其他物理現象,乃是受到必然因果律的支配──有什麼「因」,就會有什麼「果」。我們無法精確測算,是因為其間的作用力太過複雜,超出人類的推理負荷所致,但這並不表示它是「盲目的」、「偶然的」。對全知全能的上帝來說,祂應該知道骰子會出現幾點;也就是說,在上帝心中,它依然是「必然的」。

  因此,我覺得愛因斯坦如果說:「上帝只是在玩骰子」,也許更能清楚表達他的意思──次原子的行為看起來雖然像骰子一般盲目而偶然,但這是狡猾的上帝在考驗人類的推理能力。對現代人來說屬「偶然」的東西,將來極有可能成為「必然」,在科學發展史裡,不正有許多「偶然」變成「必然」的實例嗎?

  但我們恐怕要先分清楚「操作性偶然」與「本質性偶然」這兩種不同的偶然。骰子遊戲中的偶然,雖然是屬於「操作性偶然」,只要改進操作技巧,我們也許可以像電影裡的「賭聖」般,要它出幾點就是幾點。但次原子行為的偶然,似乎是一種「本質性偶然」,雖然有些物理學家認為,單純的「觀察」亦是一種「操作」;而且,次原子並無所謂的「本質」;但既然說它是「自發性」的,則除了「本質性偶然」外,我們似乎也找不出更適當的指稱。

  時至今日,已有越來越多的科學家相信,這種「本質性偶然」不僅存在,而且更是一種自然律則、一種「天機」。它就像三、四百年來為我們熟悉的「必然因果律」,是建構宇宙的另一種力量。問題是「偶然」與「必然」的分界線在那裡?「偶然」只適用於次原子世界嗎?事態的發展告訴我們,「偶然」已逐漸滲透到「必然」的領域裡,在過去被認為純屬「必然」的東西,現在卻有可能變成「偶然」。這就是量子論為科學觀念所帶來的重大革命。

 

偶然與必然的雙重性

  為了統合大宇宙與小宇宙,有些科學家──譬如波恩(M.Born)即認為,「偶然」才是宇宙的最初因,在任何我們所熟悉的必然因果關係中,其實也都有偶然的影子。

  我們還是以骰子遊戲為例。就骰子來說,它的「微觀世界」是一粒骰子擲一次,會出現幾點是「偶然」的;但在它的「巨觀世界」裡,譬如一次擲一百粒骰子、或一粒骰子連擲一萬次,則我們將發現,某些「偶然性」將消失,而趨向於某些「必然性」。當一次擲一百粒骰子時,我們幾乎可以「排除」它們的總和是一百點或六百點的情形,因為其或然率已低到我們可以「忽略」它們的程度。反之,一粒骰子連擲一萬次,則它出現一點或六點的累積次數勢必極為接近,符合各占總數六分之一的這個律則。

  在巨觀的世界裡,偶然性會逐漸消失,而為必然性所取代,但我們不要忘了,這種必然性是建立在個別的偶然性上。

  對氣體加熱是另一個例子。若將一公升的氧氣加熱,我們知道它「必然」會膨脹,但我們卻無法預測其中的某一個氧分子會朝什麼方向、以何種速度運動,它可以說是純屬「偶然」的。一公升氧氣的必然膨脹,就是建立在億兆個氧分子盲目而偶然的運動上。

  「巨觀」與「微觀」常是相對的。對人類而言,地球夠大,五十億年也夠長,所以在人類眼中,地球一直依循著一定的軌道繞太陽運行。但對上帝來說,地球也許只是宇宙的一粒「電子」,而五十億年亦僅「一瞬」,牛頓式的天體運行律則只是將地球維持在其軌道上的「或然原因」;或者說,地球只是「偶然」地落在那個位置,然後才「必然」地依循那個軌道運行。

  這種觀念嘗試告訴我們:不是「偶然」裡隱藏著我們迄未了解的「必然」,而是「必然」裡存在著一向被我們忽略的「偶然」。(未完,全文共5800字)

 

收錄於《科學的人文思考:塞琪小姐體內的魔鬼 》一書,紙本書已絕版,歡迎購買電子書

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