溫度，決定一切

緒論　尺、時鐘、溫度計

我們大部分的人清早起來，常免不了會問自己一些問題，像是：我今天需要到哪兒去？現在幾點鐘了？今天有多冷？在即將進入夢鄉之際，同樣的問題，我們又會預想明天的答案。不論是心中默想或是明白說出來，長度、時間、溫度的測量，就這樣制定了我們每天作息的韻律。三者中，我最感興趣的是微妙的溫度。

雖然新的觀念擴展了我們的視野，但是我們日常對長度和時間的理解，千百年來都沒有多少改變。我們對於尺和時鐘的應用，說起來可算歷史悠久，但是溫度卻完全不同。雖然我們都知道，嬰兒很快就懂得了熱和冷的感覺，然而我們對溫度的測量，實際上只有幾百年的歷史。即使是科學上對氣體溫度的瞭解（就是熱平衡中分子的平均動能），相較之下，也只能算是近期的事情。

傳統上，普通的科學書籍所講的學科或是特別問題，多半是針對一般大眾。所以像是宇宙學、遺傳學，或是神經科學的書籍，不但實用，而且讀起來趣味盎然。現在我想採用另外一種不同的方式，希望能夠借助溫度的測量，來探討一下科學的多面性。

這樣一來所涉及到的領域可能會很廣，所以事先不得不先做一些選擇；這些選擇不但反映出我個人的背景與喜好，同時也包含了我的無知以及我的所知。為了提醒各位，首先應該先讓大家知道我是誰，並介紹我的故事又是往哪一方面發展。

我是一個學物理的人。每當別人問起我的職業時，我都會說自己所從事的是家族事業。我的兄弟、侄子，以及許多堂表兄弟都是學物理的，我叔父是諾貝爾物理獎得主，岳父是知名的德國物理學家，甚至我妻子的姊妹也嫁給一位非常有名的維也納物理學家。所以說物理是我的職業，也是我的家族傳統。

家族發跡於迷人的義大利城市

兩代以前，我們的家族事業是造紙業。我的猶太裔祖父吉斯普．沙格瑞（Giuseppe Segrè）年輕的時候，從義大利北部的曼托瓦，遷移到在羅馬西方十五英里遠的提弗利（Tivoli）。他在那裡設立了一間小造紙廠。因為那時義大利才統一不久，首都日益繁榮，所以祖父的生意隨著市場的需求而蒸蒸日上。這個古老的國家以前是不容許猶太人經商立足的，然而此時反而大加鼓勵。因此我祖父在改革後的義大利，因為他的貢獻而受封「騎士長」的榮譽爵位。

提弗利在古羅馬時代是一個繁榮的城市。這個座落在亞平寧山腳下的城市，那時叫做泰伯，受到阿涅內河那數不清瀑布的滋潤，茂密的白楊樹森林圍繞城市四周。所以泰伯曾經是一個消暑的好去處。隨著羅馬帝國日漸強盛，別墅和神殿如雨後春筍般冒出。

在公元第二世紀的時候，羅馬皇帝哈德良（Hadrian, 76-138）在泰伯丘陵鄰接羅馬郊區的位置上，建造了一座富麗堂皇的豪邸。根據尤瑟納（Marguerite Yourcenar, 1903-1987，美、法雙重國籍的女作家）所寫的《哈德良回憶錄》的描述，這座邸第的範圍遠遠超過了普通別墅的規模。它擁有戲院、波光粼粼的水池，而且外圍有成群建築環繞，可能是古代最大的住宅，而且還散發出安閒與寧靜的氣氛。

後來，這座華美的別墅曾經荒廢了很長一段時間。一八七○年，就在羅馬變成了新義大利的首都之際，才又開始了對它的挖掘工作，它這時已改名叫做阿德安納別墅（Villa Adriana）。

在文藝復興的時期，泰伯改名叫提弗利，又再度成了鄰近大都會的避暑勝地。一五五○年，樞機主教德斯泰（Ippolito d'Este）把提弗利的一座舊修道院改建德斯泰別墅。這座豪華別墅中，可以看到文藝復興時代最精緻的噴泉。他把別墅建在山坡上，以加強層層水瀑順著山勢下流的雄壯景觀。樞機主教和貴族們可以沿著清涼的小徑散步，遠眺聖彼德大教堂。因此提弗利變成了高雅和迷人的代名詞，名聲遠播，直到今天像是哥本哈根的遊樂園還採用這個名字。

九世紀開始有了工業的發展。造紙業需要製做紙漿的木材、大量的水以及動力，而且最好還能靠近市場。提弗利具備了所有這些條件，因此我祖父就在德斯泰別墅的南方、古羅馬海克力斯神殿的遺址上，建立造紙廠。神殿的遺跡變成了工廠的骨架，這在今天看來，真是不可想像，簡直是對神明的褻瀆。但是當時，新羅馬建立在舊羅馬的基石上，為了供應首都日益增加的需求，這是一種不可或缺的建設基礎。

父親晚年的時候，談到沙格瑞家族留在提弗利的唯一痕跡，曾經開玩笑說，應該在那裡豎一塊牌子，寫上：「這是海克力斯神殿，曾一度為沙格瑞家族所據，但又於某年某月某日重新恢復了它的莊嚴……」

父親沈浸於歷史研究

祖父母一共有三個孩子，全部都是男孩子，他們成長於新舊交接的時代。我父親安傑羅（Angelo）是長子，小時候經常在阿德安納別墅的遺址一帶遊玩，蒐集羅馬時代的銅幣，研究過去的時光。他最後變成了研究古代歷史的教授，但他不是只想研究過去的編年史。他想瞭解的是，以前的人如何付錢、用什麼東西交易、他們的經濟如何運作、地中海一帶錢幣的價值，以及古羅馬人如何面對財政危機。

有一次，父親聽到了發現一間堆滿了破罐子的古代儲藏室，當他解釋給我聽的時候，他那副興奮的樣子，至今我還記得。他當時的想法是，如果能夠把這些破罐子再重新湊攏在一起，他可以預測出它們的大小。那麼他就可以知道這間儲藏室中曾經放過什麼東西、罐子裡裝的是什麼、是什麼人在賣這些東西、又是什麼樣的人來買這些東西、每個賣多少錢。他知道所有的測量方法。

父親是一個親切、討人喜歡又有氣質的人，雖說不怎麼切實際，卻是一個學無止境、追求知識的人，他愈來愈喜愛研究古代世界，對他來說，這簡直是一種享受。同時，他對新出爐的量子力學、相對論、遺傳學以及擴張宇宙的觀念，充滿了興趣，因此他鼓勵自己的孩子攻讀科學，這可能還帶有彌補他早期沒有選擇科學的遺憾。或許也可以從另外一方面來理解他的感受，父親對歷史的意識是與生俱來的，因此他鼓勵別人去挖掘他所不瞭解的東西。

祖父的第二個兒子馬可（Marco），選擇了傳統路線，繼承家族事業，繼續經營造紙廠。他所用到的度量雖然平淡無奇，但是對於收支平衡、現金流量及成長曲線，卻非常重要。

叔父是諾貝爾物理獎得主

一九二○年代中期，祖父的第三個兒子艾米利歐．沙格瑞（Emilio Segrè, 1905-1989）開始跟隨費米（Enrico Fermi, 1901-1954，一九三八年諾貝爾物理獎得主）一起研究，他當時還是羅馬大學的大學部學生。比艾米利歐大四歲的費米那時才到羅馬不久，但已經是一位名聲鵲起的教授。艾米利歐與費米以及其他人的共同合作下，使得他不論是在歐洲或後來在美國，物理的專業生涯都相當有成就。

艾米利歐與費米最有名的共同研究，在於中子以及後來發現的反質子（antiproton），後面這項工作更讓艾米利歐與張伯倫（Owen Chamberlain, 1920-）在一九五九年一起獲得了諾貝爾物理獎。在我的記憶中，我最喜歡的是他那比較不太著名的發現：鎝（technetium）元素的發現，以及特別是對半衰期的測量。

我知道這項發現對艾米利歐叔叔具有特別的意義，因為在第二次世界大戰結束以後，艾米利歐終於可以回去給我祖父上墳，他帶去了一些鎝元素。

他說：我把一些少量的鎝撒在父親在羅馬費蘭諾墓園的墳上，表示一個身為物理學家的兒子對父親的敬愛。這個東西的放射性微乎其微，但是它的半衰期卻長達幾十萬年之久，這比我可以用作紀念的任何東西都要長久。

由於我叔叔所涉及的領域，加上父親的引導，自然而然的把我推進了物理的世界，物理成了新興的家族事業。父親更進一步認為我應該當理論物理學家。當我追問他為什麼這樣決定，他的回答是，理論物理似乎是具有雙重優點的專業領域：你可以辨別對和錯，而且如果你不想和某人說話，你可以選擇沉默。雖然這兩個解釋都值得商榷，但最終我還是走上了這條路，當然更證明了我是一個聽話的兒子。過去三十年間，我主要在鑽研基本粒子的問題，偶爾也觸及凝態物理學及天文物理學。

溫度是一切的線索

在回顧我個人的追尋過程，以及父親和叔父的事業，我發現主宰我們一生的是三種形式的測量：長度、時間、溫度。像雙耳陶瓶的容積、鎝的半衰期、中子星[1]

的溫度，這些全都是用精巧的儀器測量出來的。而這三種測量比較簡單的估量方法，則可以用尺、時鐘、溫度計。

一開始我原本想藉著這本書，來探討過去一個世紀中所討論過的一些重大科學問題，有許多問題都尚未找到答案。讓我非常高興的是，在努力尋找資料的過程中，居然發現溫度竟是這些科學事件的必要部分，而不僅是附屬品。現在就讓我來舉三個例子。

我們的地球大約是在四十五億年以前，由原行星盤（protoplanetary disc）中所形成的。但生命最早是什麼時候開始出現的呢？雖然能夠確定的是，生物在三十七億年以前就已經存在了，然而介於其間的八億年是否夠長，可以讓原始的有機分子組合成遺傳物質呢？那時生命所需要的有水環境，是否已經出現了呢？答案端看早期地球的溫度，溫度會影響下列情況：適宜生存的氣候條件能維持多久，以及生物對熱落差（thermal jump）的承受力。如果情況無法讓生命在這樣短促的時間中於地球上形成，那麼我們就必須在太陽系中其他地方尋找生命的起源。假如地球上的生命來自其他地方，那麼在四十億年以前那裡是比較適宜的環境？這些生物又是如何能夠旅行到地球上的呢？

接下來的例子，是宇宙如何可以從大霹靂（Big Bang）中誕生。宇宙開始時是難以想像的高溫，經過了三十萬年的冷卻以後，溫度下降到華氏五千五百度（通常是用凱氏三千度來表示[2]）。實驗證據指出，在華氏溫度五千五百度時，宇宙幾乎處在完全均勻的狀態，也就是每一點的溫度都相同。但實際上，各處的溫度根本不可能完全均勻，否則星系、恆星、行星就不可能會演變出來。這種出現於早期、溫度起伏少於一度的訊號，如今可以用現代的天文學儀器測量出來。

第三個例子是關於相當奇特的最低溫度觀念--絕對零度[3]。最先注意到接近這個極限的觀念，僅是兩百年以內的事情，結果卻開展了我們對新世界的探索。這個新世界由量子力學的規則來支配行為、電線沒有電阻，而且流體的流動也不會遇到摩擦力。這個新世界與我們自己的經驗完全不一樣，但卻可以在恆星內部找到相似的地方。除此之外，這個新世界卻可以發展出新的技術，改進我們的日常生活。

關於溫度，還有一些頗耐人尋味的謎題，雖然不像前面所舉的三個例子，範圍那樣廣泛，但是也同樣重要。我們似乎找不出一個單純的答案，能夠解釋為什麼不論是住在北極或是沙哈拉沙漠，我們的體溫都維持在攝氏三十七度（華氏九十八點六度），而且為什麼大部分哺乳動物和鳥類都具有和我們大約相同的體溫。比較明顯的一個重要因素，就是為了保持頭腦的警覺以及反應敏捷。然而，從與我們類似的動物所具有的許多適應機制來看，所牽涉到的應該不只這些。而且，我們演化出為了抵抗感染而引起的發燒，到底有什麼好處，也沒有圓滿的答案。

這本書提出許多謎題。有些內容可能違背常理：例如，我們居然能夠比較準確的測量出太陽核心的溫度，但在測量地心溫度時，卻沒有辦法那麼精確。然而，只要能夠仔細思考一下就可以知道，這裡舉出來的問題大都有合理的解釋。可是，我無意提供包羅萬象的科學觀點，我所要強調的是途徑與解答之間的關聯，溫度就是線索。

[1]　編注：中子星（neutron star），恆星演化的一個可能終點。超新星爆炸之後，殘留的核心密度極高，其中的電子幾乎都和質子結合成中子。這種幾乎都由中子組成的星體，即為中子星。

[2]　編注：凱氏溫度（Kelvin temperature），凱氏溫度約等於攝氏溫度減二七三‧一五度。凱氏溫度以Ｋ表示。

[3]　編注：絕對零度（absolute zero）即凱氏溫度的零度，約等於攝氏零下二七三度。它是一切溫度的下限，亦即不可能存在比絕對零度更低的溫度。

雖然沙格瑞致力於把整本書的主題集中在溫度上，似乎有些太過了，但成果非常令人讚賞……他讓我們知道，這種日常生活的觀念卻是我們理解宇宙運作的基礎。

──席夫（Charles Seife）　《零的故事》作者 

沙格瑞結合了歷史觀點，以及運用現代科學的能力，提供了關於溫度清楚又新奇的綜合觀念。這本書注定會成為科普寫作的經典。

──哈特（John Harte）　 加州大學柏克萊分校環境科學、政策與管理系教授

現任賓州大學物理暨天文教授。出生於義大利佛羅倫斯，在佛羅倫斯與紐約成長，目前定居於賓州。曾任麻省理工學院與牛津大學客座教授、賓州大學物理暨天文系主任、國家科學基金會理論物理主任。沙格瑞是國際知名的高能基本粒子理論物理學家，出身於物理世家，叔父米利歐．沙格瑞（Emilio Segrè）為一九五九年諾貝爾物理獎得主。他也曾獲得許多學術榮譽，如史隆基金會（Alfred P. Sloan Foundation）研究獎勵，以及古根漢基金會（John S. Guggenheim Foundation）研究獎勵。

國立台灣師範大學理化系學士，美國加州大學洛杉磯分校物理化學碩士，德國波昂大學克庫勒有機化學研究所有機化學博士。曾任美國橡樹嶺國立研究所任資深研究員，從事超臨界流體、石油化學、界面化學、熱力學、光化學等領域的基礎科學研究。也曾執教於國立台灣師範大學翻譯研究所，教授科技翻譯。譯有《腐化》（書林出版）、《陽台上的化學家》（天下文化出版）。