形上集

現象學家

在量子力學之後,物理學進展快速,絕大多數的實驗已獲得說明,數學進路躍居主流。

撰文/高涌泉

形上集

現象學家

在量子力學之後,物理學進展快速,絕大多數的實驗已獲得說明,數學進路躍居主流。

撰文/高涌泉


2001年2月,知名雜誌《今日物理》刊登了一篇文章〈包立〉(Wolfgang Pauli),文章不是太長,講述大物理學家包立一些不太為人知的事蹟,例如包利不像海森堡那麼具競爭心,他的許多發現僅記錄在給朋友的信上,從未寫成論文。兩位作者之一是物理史家,另一位則是在1950年代接觸過包立的理論物理學家。文章中有一段敘述特別讓人印象深刻:「在創造新物理觀(量子力學)的10、20人當中,有兩位特別突出,他們結合了驚人的數學才能以及對於實驗數據的全盤認知,這兩位——包立與海森堡——是最卓越的光譜現象學家。他們覺得自己才是真正的物理學家,而其他人例如焦旦、狄拉克、波恩、薛丁格、德布洛依只不過是formalist而已。」formalist這個詞一般譯成形式主義者,這裡指的是鑽研數學架構的人。


狄拉克只不過在玩弄數學架構?美國康乃爾大學一位物理系教授立即投書抗議,不過兩位作者並未讓步,反而引用狄拉克的話來反駁。狄拉克在1931年曾說當時最有威力的進路就是用純數學去改善、推廣理論物理的數學架構,成功之後,再設法以具體的現象(東西)去詮釋其中的數學特徵。狄拉克最有資格這麼強調數學的功能,因為他就是從結構的角度出發,推廣了薛丁格與包立的方程式而得到他那著名的相對論性電子方程式,接著再以正電子去詮釋方程式中的負能量解。狄拉克這種先數學後現象的進路,的確和現象學家背道而馳。


現象學家是物理學家的一種類別,他們的工作即是以自然現象(實驗)為本,去推敲出能夠說明這些現象的物理規律。這種研究既需歸納也需演繹,但不時也要借助講不清楚的物理直覺與靈感。現象學家的結果有時不完備,僅能視為某種權宜之計,有特定適用範圍,但是因為這些結果總是以現象為依據,所以絕不會完全出錯。波耳的氫原子模型即是現象學的一個經典例子。


包立與海森堡從沒明白說過,他們認為現象學家才算是真正的物理學家,但是包立也確實曾對老闆波恩這麼說:「你那些無謂的數學只會破壞了海森堡的物理思想。」自牛頓以來,物理學的發展就一直緊貼著現象,不輕易臆測經驗之外的東西。牛頓自己就說:「我不做假設。」畢竟自然的奧秘很難光憑猜想加上邏輯推演就可以破解。


上個星期我從一熱門網站得知普林斯頓高等研究院公開了一些歷史檔案,其中有大數學家魏爾於1945年寫給當時研究院主任的一份機密備忘錄。這份備忘錄明列了魏爾對於一些理論物理學家與數學家的評價,大約是魏爾對於研究院可能新聘人選的建議。


魏爾不僅是數學大師,對於理論物理也有原創、深刻的貢獻,所以非常了解同時期物理學家的成就,他對於這些人的評價具有歷史意義。魏爾列舉了九位物理學家,把他們分成兩級,頂級包括波耳、薛丁格、海森堡、狄拉克與費米等五位已獲得諾貝爾獎的大人物。當時已經是高等研究院教授的包立沒有列入,反而被魏爾當做對比來說明這些人的特色。在魏爾的評論中,我想特別介紹以下幾點:一、「薛丁格非常聰穎,但沒有包立來得穩定,早在1937年,我們就已經認為包立較強些」;二、「量子力學的基本想法歸功於海森堡,雖然薛丁格的工作是基於完全不同的點子,但是他在起步之時已經知道海森堡的論文」;三、「如果沒有海森堡與薛丁格,便不可能有狄拉克的工作」;四、「狄拉克比包立更願臆測,集中於量子物理最基本的問題」。


量子力學是違逆物理直覺的學問,若沒有實驗的引導(逼迫)不可能出現。魏爾雖然是數學家,卻很清楚這一點,因此較推崇包立與海森堡。在量子力學之後,物理學進展快速,絕大多數的實驗已獲得說明,以至於近40年來,現象學家無從施展功夫,狄拉克的數學進路躍居主流,弦論就是鮮明的例子,不過成就似乎不若以往。


更多相關文章

2018年9月199期腦中第七感 雜誌訂閱

本期最新文章