形上集

原子會發光

- 不同的原子有不同的光譜這件事,被美國科學促進協會列為所有公民必備的知識。

撰文/高涌泉

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原子會發光

- 不同的原子有不同的光譜這件事,被美國科學促進協會列為所有公民必備的知識。

撰文/高涌泉


前一陣子我在圖書館看到一本討論科學素養的書,內容是關於「所有(美國)學生在小二、小五、國二、高三等各階段末,對於科學、數學、技術等領域所應該知道、或有能力去做的事」。這類的書頗多,一般而言並無特殊之處,但這本名為《科學素養指標》(Benchmarks for Scientific Literacy)的書卻相當值得參考。它是由著名的美國科學促進協會(AAAS)所發表的,屬於「2061年計畫」(Project 2061)報告的一部份。這個研究計畫的目標是促進所有未來美國公民的科學素養,以便「有助於人們能過個有趣、負責、且豐富的一生」。


究竟什麼樣的科學知識能夠幫助人們有個美好人生,我當然感到好奇。書中所列的知識項目是眾多專家集思廣益的結論,讀來相當有意思。例如,書中對於美國學生在高中畢業後所應該具備的知識,在「能量轉換」這個主題之下,包含了這件事:「如果一個孤立的原子或分子的能量改變了,則這種變化乃是來自於能量從某個明確的值跳到另一個明確的值,其他的值都不可能。一旦原子或分子吸收了輻射或放出了輻射,其能量就會改變,因此,這些輻射也會有明確的能量。所以,個別原子或分子(例如在氣體中的原子、分子)所發射或吸收的光,可以用來判定這些發光的物質究竟是什麼東西。」


我看到原子會發光這件事,被美國科學促進協會列為所有公民必備的重要知識,當下就想起費曼講過關於他父親的一個小故事:


費曼父親是個小生意人,辛苦栽培費曼上了麻省理工學院(MIT)。有次費曼回家,他父親對他說:「既然你已經學了那麼多東西,有個問題我一直沒有弄得很懂,不知道你能不能解釋給我聽?」費曼當然很樂意為父親解惑。他父親就問:「我知道當一個原子從一個狀態轉換到另一個狀態時,它便會發射出一個稱為光子(photon)的光粒子。」費曼回說:「是的,沒錯。」費曼父親接著問:「那麼,這個光子是不是早先就存在原子裡,然後才跑出來?或者是,原子內一開始並沒有光子?」


費曼於是試著解釋光子的數目並不是一個固定不變的值,光子只不過是由於電子在運動,從而才創造出來的東西。費曼說:「我無法好好地對我父親解釋這件事,我說我所發出的聲音一開始並不是在我身體裡頭但是他不滿意我的答案,他覺得我完全沒有解釋清楚他所不了解的東西!所以他並沒有成功:他送我去上大學,目的就是想了解他所不懂的這些事,但是他終究沒能找到(讓他可以理解的)答案!」


的確,沒有人能夠真正理解光子究竟如何從原子裡頭跑出來,物理學家能做的至多就是描述事件是如何開始的,以及事件可能會如何結束,例如計算出光子出現的機率有多大。至於中間過程到底是怎麼一回事,目前物理學家是無能為力的。


我不知道費曼的父親接受了多少科學教育,但在70年前,光子與能階的概念大約還不至於被列為基本科學知識,所以費曼父親在當時應算是相當先進的科學美國人。不過《科學素養指標》對於原子發光的敘述除了光子與能階之外,還包括了「個別原子所發射或吸收的光,可以用來判定發光的物質是什麼東西」。從大眾通識教育的角度來講,這項知識的重要性在於,我們可以從接受到的光,來判定在無數光年外的星球上的物質,其實和地球上的物質,並沒有兩樣。


曾有哲學家以為,由於我們不可能跑到極遠的星球上,所以我們永遠不可能確知到底星星是由什麼東西構成的。這本來是個非常合理的推論,但卻被各原子有其特殊光譜這件事給推翻了。世界真是奇妙!美國人認為「原子會發出特定的光」是公民科學素養的一部份,我們是不是也認同這種判斷呢?


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