國民科學須知

與實驗不一致就是錯的

約翰．葛瑞賓

我們致力於所有的技術，無非都是為了我們本身和我們的未來……心中所掛念的是為了創造人類的福祉，而不是製造災禍。在我們以圖表和方程式表現時，總要時時秉持這種信念。......愛因斯坦，於加州理工學院，1931

不管在哪個科學領域，專家的命運總是如此：在自己專業的主題上，研究焦點愈來愈集中、愈來愈狹窄，於是漸漸對愈來愈少的事情知道得愈來愈多，終於，達到七竅通了六竅的境界。

為了避免走上這種路，從許多年前起，我自己就選擇要成為一位科學寫作者，而不是科學研究者。這樣我就有機會多多請教真正的科學家他們在做些什麼，再把我發現到的東西寫成一系列的文章與書，使我能夠對愈來愈多的事情都約略有些了解，即便只是達到七竅通了兩、三竅的境界而已。經過了三十年，也寫了很多針對某些科學特殊領域的書之後，對於大多數的科學學門，我仍然處於幾乎一竅不通的階段。我想到，也許寫一本更一般性的書，對科學做個更宏觀的描述，是個不錯的好點子，那我不是很快就能涉獵到更寬廣的科學領域了嗎？

通常我寫一本書時，都是以自己為目標讀者。譬如說，我在寫量子物理學或者是演化論時，總是希望那是別人已經替我寫了的書，寫得讓我在閱讀時不會遇到麻煩，輕易就能看懂。而這次我寫這本書，則是把每一個人都當成目標讀者，希望大家都能樂在其中，有所收穫。即使你已經了解一點點量子物理，或甚至懂很多了，也會在這兒發現一些你並不知道的演化論；即使你曉得演化論，也可以從這本書獲得大霹靂的新知等等。

所以，雖然我了解艾西莫夫的鬼魂一直在注意著我進行這項包羅廣泛的計畫（這本書理當是艾大師應該完成的著作，我希望已獲得他的允許，越俎代庖），但這本書畢竟不是《葛瑞賓的科學須知》，而是給所有國民、不分男女老少的科學須知。這本科學須知不專是給喜好科學的人或行家看門道，更是給那些為科學所惑的人，不管是對科學的重要性茫然不知的人，或是對科學可能有興趣、但通常畏懼於技術細節的人，大家一起來看熱鬧。

你在這裡不會發現太專門的東西；那些都已經被共同作者瑪麗．葛瑞賓給刪掉了，她讓這本書的科學部分不至毫無節制，並確保留下來的內容外行人也容易懂。你在這裡將讀到的是葛某人在二十世紀末對科學的看法，以及把不同的發現拼湊在一起後，對宇宙及其包含的萬物產生廣大且一致的圖像。

不能只挑你要的科學情節

你可能會因太專注於某一個科學領域，例如大霹靂（Big Bang）或演化論，而忽略了這種方式可以拼湊出來的事物，但那卻是科學極端重要的內容。演化論及大霹靂（以及所有其他的領域）都根據相同的原理（principle），你不能夠只挑選或選擇你能接受的科學情節。

我經常收到別人給我的意見，舉出他不能接受狹義相對論的各種理由，相對論告訴我們移動中的鐘走得較慢，移動中的尺會縮短。這些人仍想相信科學的其他部分，有時候拚命掙扎著想要迴避狹義相對論。但這是不可能的。狹義相對論並不是孤立存在的，有關移動中的鐘與尺的理論也是如此，這些都是從我們對其他事物的了解而來的，例如，質量轉變成能量來維持太陽的發光，以及電子在原子內的行為。如果你拋開一些好像違背常理的理論，那你也將無法用剩下來的理論，解釋為什麼太陽會發光，或者元素週期表的道理。這只是一個例子而已。

我希望這本書能夠說得很清楚，以符合今日科學世界的觀點來拼湊每件事情。這些科學世界的觀點是人類智慧的偉大成就，從宏觀的圖像看待這些成就，要比近觀那些枝微末節，更能感受這些成就的力量。

對科學世界的見解有兩個值得注意且相關的特點，但常常被忽略，我在這裡要予以點出：整個科學的發展差不多也只有四百年（從伽利略的時代算起，此階段好像比較合適做為現代科學的啟元），而且都可以被人類的思考所了解。

也許我們不能夠通曉科學世界觀點的每一細節，但有不少人卻可以，即使人的壽命是有限的。雖然如天擇演化論的觀念需要天縱奇才者方能想得出來，一旦這種觀念形成之後，科學家就可以對一般人說明了。

不過，在開頭時往往會引起以下的反應：「這多麼顯而易見！我怎麼這麼愚蠢，竟沒有發現！」（例如，赫胥黎[3]第一次讀達爾文的《物種原始》（Origin of Species）時，就有這樣的反應。）如同愛因斯坦在1936年所說的：「這個世界的永久奧祕是它的理解能力。」

先猜個模型

為什麼人的思想可以理解宇宙？這是因為它受一套很簡單的規則所規範。物理學家拉塞福（Ernest Rutherford, 1871-1937，紐西蘭實驗物理學家）在二十世紀初提出原子的原子核模型，他曾說「科學可分為兩類，即物理學和集郵」。這並不全然是玩笑話，雖然他很鄙視其他科學，卻因為對放射性的研究，獲頒1908年的諾貝爾化學獎，這實在不很相襯，但還是件令人歡愉的事。

物理學是最基本的科學，因為它最直接探討支配宇宙以及構成宇宙間萬物的簡單粒子的簡單規則（rule），同時，因為物理學的方法提供了原型，使其他科學得以參照，發展出它們自己世界的圖像。

這些方法中最重要的是使用物理學家所稱的模型（model）。不過即使是物理學家，仍有一些人並不認為他們用的模型都會代表真實，所以我們在應用這種技術之前就先說明一下。

對於物理學家而言，模型是對一些基本（也許並不太基本）實體的想像圖像，和一組描述它的行為的數學方程式。例如，有一種模型是關於瀰漫在我寫這些文字的房間內的空氣，把氣體中的每一分子描述成一微小堅硬的球。這模型所附隨的方程式，一方面用來描述這些小球如何互相碰撞、相互彈開，或從房間的牆壁上彈開，而在另一方面，也說明這麼多小硬球的平均行為如何造成我房間的空氣壓強。

至於這些方程式，我們用不著去擔心，在本書上我多半不去提及。但是須記住，好的模型總會包含方程式，而這些方程式被人們用來預測物體的行為，譬如可能用來計算在其他條件都一樣時，如果我房間內溫度升高攝氏10度，空氣的壓強是如何變化。模型的好壞是用實驗來測試，就像在上面這種情形，把房間加溫，使溫度上升10度，看看你量測到的新壓強會不會與模型預測的壓強一致。如果不會的話，此模型最好的情形是可以修正，最壞的情形就是把它丟棄不用。

費曼是二十世紀最偉大的物理學家，在他1964年的演講中如此總結說明了科學的程序，他雖利用「定律」（law）這個詞，但他的說法應用於模型上時，同樣正確：

通常我們用下列的程序來尋找新的定律。首先我們用猜的，然後假設所猜的定律是正確的，計算猜想的結果。接著我們利用實驗或是經驗來比較計算的結果是否與自然一樣，或是直接與觀察比較。如果與實驗不一致，那就是錯的。這種簡單的敘述就是科學的關鍵。不論你的猜測多美妙，都不會有什麼差別。你人再聰明、不管是誰猜的、他的名字是什麼，還是一樣──如果它與實驗不一致，那都是錯的。

模型不只一種

這就是科學以及科學模型的樣子。如果與實驗不一致，那就是錯的。但是還有更微妙之處，即使它與實驗一致，並不表示那個模型就「正確」得像永恆、普遍的深奧真理，如同有些研究中的事物本質。在計算房間內氣體的壓強時，我們可以把分子當成小硬球，並不意味分子真是小硬球，這表示在某種狀況下，它們的行為表現得有如小硬球。模型在清楚的界定下有效，但通常有它的限制，在此限制之外，可能就要另尋其他模型來代替了。

為要說明得更清楚些，讓我們從另一不同的角度來看我房間內空氣中氣體分子的現象。這些分子中有一些可能是水蒸氣。水的分子，每一學生都知道，是由三個原子，即兩個氫和一個氧所構成的，寫成H2O。為了某些目的，水分子的適當模型便是兩個小硬球（氫原子）連接了一個較大的硬球（氧原子）形成V狀，氧原子在V的頂點上。

在此情形，原子間的連接可以視為像小的剛性彈簧，所以分子內的原子可以來來回回的輕微振動。這種振動牽涉到輻射的特定波長，因為原子帶有電荷（在稍後會多做說明），如果它們被強制做這種振動，它們就會輻射出無線電波的微波，並且，反過來說，如果把適當的微波導入分子中，也會引起分子共鳴振動。

這正是微波爐裡所發生的事。當微波的波長調整到使水分子可以振動，這樣的微波充斥爐內，使食物中的水分子振動起來，水分子吸收能量，然後加熱食物。這種現象不只發生在廚房內或實驗室中，在研究來自太空的氣體雲的微波輻射時，天文學家藉以偵測太空中是否存在水分子和很多其他的分子。

所以你如果是一位尋找太空中的分子的電波天文學家，或者是一位設計微波爐的電機工程師，只要連接原子的棒子有點彈性，對你而言，水分子的棒與球的模型便是好的模型。你不需再把整個分子當成硬球，但你還是要把個別的原子，如氧原子，當成個別的硬球。

化學家在分析物質的組成時，所持的看法又是另外一種。如果你想知道物質中有哪些種類的原子，有一種方法是研究它們在遇熱時所輻射出的光線。不同種類的原子輻射出不同的顏色，在像彩虹的光譜中會有非常分明的線條，我們最熟悉的例子便是路燈光鮮的橙黃色，因為它含有鈉的化合物。那就是鈉原子輻射出特定的顏色（在這個例子中，鈉的輻射是由電流所激發，而不是加熱產生的）。

這種光如何產生的？但用來描述這現象的模型與上述的模型不同，在此模型中，原子就不再是個別的硬球，而是把原子想像成中心是微小的原子核（此時可把原子核當做是一個硬球）被一層帶電的粒子雲所圍繞著，這些微小粒子稱為電子（electron）。中心的原子核帶有正電荷，而每一個電子都帶有負電荷，所以整個原子的電荷為零。光譜中的明線與原子的特定種類有關，這可以用原子之外層電子的移動狀況來解釋。如何區別原子種類的不同，以化學行話來說，就是電子數目的不同（氧有8個，氫只有1個，而鈉有11個）；因為每一種原子有它自己獨特的電子排列，所以每一種原子會產生它獨特的光譜色線圖樣。

我可以繼續敘述下去，不過到此已說明得很清楚了。以小硬球代表空氣中的分子是一種好模型，因為當你用它來計算壓強如何因溫度而變化時，很管用。把分子當成許多小硬球（原子）如葡萄串在一起，也是一種好模型，可以用來計算分子振動產生的無線電波。若不把原子視為個別的硬球，而是一微小的原子核被電子雲所環繞，那也是一種好的模型，因為這個模型適合用在推測特定種類的原子能產生什麼顏色的光。

沒有哪一種模型是絕對正確的，但它們都各扮演各的角色。模型是用來幫助我們想像的工具，以獲得正在發生的事情的圖像，而且幫我們推測那些可以用量測來直接測試的事物，例如房間內空氣的壓強，或者熱物質輻射出的光的顏色。

不要用鑿子釘釘子

就像木匠不會用鑿子或木槌做同樣的工作，所以科學家也必須選擇適合的模型來解釋手邊的任務。費曼說：「如果與實驗不一致，那就是錯的。」他的意思是指如果與「適當的」實驗結果不一致的時候。如果水蒸氣的分子模型是一個硬球時，並不允許有如微波之類的振動，所以這個模型「預測」水蒸氣不會輻射出微波。因此，如果針對的是微波的話，那我們就用錯了模型。但這並不是表示這個模型一定是錯的，如果我們想知道房間內溫度升高如何影響空氣壓強，就可以用此模型來處理。

科學所討論的每件事都是有關模型和預測，有關尋求使你腦海裡獲得宇宙運作的圖像的方法，有關找出計算方法來預測在某些情況下會發生什麼事。由我們日常生活的一般世界再跨進一步，不管是朝向更小的觀點或更大的視野，我們將更倚賴「類比」：原子在某些狀況下，「有如」彈子球；黑洞，在某些方面，就「有如」彈簧墊上的凹坑。

如果一直這樣舉出不同模型的適當應用將會很乏味，所以現在我就離開這類議題，而儘量不再去重提。我認為你已記得適合性，即使最好的模型也僅適合它自己的情況，鑿子絕不能用來做木槌的工作。當我們描述某件東西是「真的」，意思是，那是相關狀況的最好模型。

從極小到極大

有了這些觀念，我將從原子的規模開始，帶你到極小、極小的世界，然後向外擴展至整個宇宙，告訴你各種尺度的事物本質的最新了解（最好的模型）。它們統統都是真實的，因為它們都與實驗一致。就像拼圖片一樣，這些模型可以互相嵌合，為宇宙和它所包含的每一件事物，描繪出如何運作的連貫圖像。而且能讓一般人了解，至少了解概要。

科學還有一項特點，是我一直秉持的，此特點也形成了本書的結構（以及我的整個生涯），但並不是每個科學家都必定如此。對我而言，科學主要是探索我們在宇宙間的地位，人類在世界上所占有的地位，從最小的次原子粒子到最遠的太空與時間。我們並不是孤立存在的，而且科學是一種人類的文化活動，並不純然只是一味的追求真理而已，儘管我們多麼努力的嘗試如此。科學是有關我們從何而來，往何處去，它是人類曾敘述過最令人激賞的故事。

約翰．葛瑞賓 作者
劍橋大學天文物理學博士，現任《新科學人》（New Scientist）雜誌顧問，多才多藝，身為作者亦兼節目製作人。曾寫過許多科學書籍，例如︰《尋找薛丁格的貓》（InSearchofSchrodinger'sCat）、《蓋婭樂章》（GAIA:TheMusical）和暢銷傳記作品《霍金傳》（StephenHawking），也寫一些科幻小說。他的書曾獲英、美授獎肯定，且被譯成三十多種語言廣為流傳。 瑪麗和約翰．葛瑞賓夫妻住在英國薩賽克斯郡，育有二子。他們共同合著的書還有《冰之傳人》（ChildrenofThe Ice）、《百分之一的優勢》（TheOnePerCentAdventage）。
瑪麗．葛瑞賓 作者
擁有發展心理學學位，現在英國東索塞克斯郡（East Sussex）從事教育工作，也為兒童撰寫科學讀物，並與她的先生，約翰．葛瑞賓合著適合成人閱讀的科普書籍。由於長期以來熱中於探索歷史，現已成為英國皇家地理學會（Royal Geographical Society）的會員。
蔡信行 譯者

臺灣大學化學工程系畢業、美國卡內基美隆大學化學博士。曾任東海大學及靜宜大學兼任副教授、國立台灣科技大學化工系兼任教授。著有《奈米科技導論》、《石油及石油化學工業概論》等，譯有《生物世界的數學遊戲》等。