2019年8月3日 星期六

甚麼是物理? by 宇宙(牛河)博士

曾幾何時,還是 (或現在尚是) 小孩子,充滿好奇心的你/妳,有沒有思考過「為何天空是藍色?」、「宇宙有沒有盡頭?」、「時間有沒有開始和終結?」、「時空旅行可不可行?」這些問題呢?我們身為人類,自誇萬物之靈,甚至自以爲我們是獨特、「萬中無一」的,但究竟我們對自身身處的世界、宇宙又有多少了解呢?

物理學的歷史
為了尋找答案,了解自然世界的運作,人類創立了科學。而芸芸眾多科學學科中,歷史最悠久的必然要數物理學了。物理學的英文名稱physics由拉丁文physica演變而來。physica一詞源自古希臘,意指「自然」,後引伸為自然世界的一切真理(但不包括人為事物。因為人類是「自以為是」,喜歡與自然作對,「不按邏輯行動」的生物,好像是 [說笑而已] )。

中文「物理」一詞則可追溯至戰國時代佚書《鹖冠子·王鈇篇》,原意指一切事物的真理。隨著後來17世紀科學革命,物理學開始與自然哲學分家,成為了獨立的學術領域。現在物理一詞則泛指這門研究宇宙一切物質,能量的本質與性質,及它們間相互作用的自然科學。

物理學的研究涉及一切自然世界、宇宙的(根本、客觀的)真理,範疇由與日常生活息息相關的工程學、氣象學、地質學,遠至天文學、宇宙學,甚至探究物質最小和最根本的結構、組成成份,世界的起源等等。

物理學可謂世界上最古老的學科之一,亦是自然科學中最基礎、最根本的學科,而且應用廣泛,深深影響著其他學科與人類社會文明,說它是「科學之母」也不為過喔!

物理學隨處可見現在隨處可見的平板電視、手提電話、電腦,我們生活上習以為常,甚至賴以為生的萬維網(World Wide Web, www)、全球定位系統(GPS)等等,它們的出現也是歸功於物理學的研究與一眾物理學家們的努力喔!(沒錯,www的誕生某程度上也是因為CERN的物理學家,雖然只是間接原因啦!)因此,物理它不應該如中文同音異字「勿理」般,不應只是中學公開考試用於測試,分辨學生能力,為學生分等級的工具。它不僅與我們的生活息息相關,推動著人類文明的進步,更是我們理解世界如何運作,及如何與大自然溝通、共處最有效的工具

物理的確能帶給我們很多實質的好處,推動社會和科技進步。不過小弟暢談物理,希望大家認識物理,最重要的原因當然是因爲它很有趣啦!正如著名物理學家費曼(Richard Feynman)所言:「物理學就如同性愛一樣,儘管它們可以帶來一些實際的成果,但那並不是我們喜歡做它們的原因。」(’Physics is like sex: sure, it may give some practical results, but that’s not why we do it .’)

物理學等於數學?
本章開初小弟誇口直言物理學是「科學之母」,或許你會問「那數學呢?物理學不是涉及很多令(不少)人頭痛、眼花撩亂的數學符號及公式嗎?數學不是更重要及更根本嗎?」沒錯,物理學的確包含,並且必然避免不了有很多數學在其中,但正確來說「物理學不是數學,數學亦不是科學」,雖然兩者關係是非常的密切。

數學是語言,是一門藝術
數學其實是文科,現在和歷史上(某程度上)亦然。在不少著名頂尖大學,好像普林斯頓大學等,數學系某程度上是被算進文學院的;從它們數學系畢業的叫文學士(B.A., bachelor of arts),而不是叫理學學士(B.Sc, bachelor of science)。

數學其實正確來說是一種語文,數字與運算符號如字母,重點不在於算術或運算;它甚至算得上是一門藝術,一套又一套的理論就仿如畫家賞心悅目的畫作,音樂家扣人心弦的樂章。而且真正的數學家大部份都是不被重視,生活拮据的…雖然這種「另類」的美並不是人人都能領會得到。即使如小弟這個偽.數學家也不能完全領會,只懂嘖嘖稱奇,好像是。

數學與科學的分別
不過這種另類,客觀著重邏輯的語文,恰恰正是用來了解自然世界、宇宙最有效的工具。所以物理學當然避免不了涉及很多數學理論及公式。物理學雖然也很著重理論嚴謹性,但它更著重的是探求現實世界的真相,理論是否能準確描述並預測自然世界的事物。

即使理論、公式是如何的美觀,簡約,如果它們不能用於描述自然世界,與現實連繫起來,物理學家對它們大多還是不屑一顧的。相反,真正的數學不在乎現實世界是怎樣,理論是否有應用或能否用於描述現實世界。數學理論是否合乎邏輯(不包括「強國邏輯」),「美」與否才是重點。另外科學永遠帶有一定程度的不確定性,不會百分百的正確;相反,純粹數學(pure mathematics)是絕對嚴謹的,要求推論驗證必須在任何情況下也是百分百正確,不容許帶有一點的不確定性。

數學家其實某程度上是「神」。他們做的是先設定及寫下一些類似「定律」與「規則」,叫<公理 (axioms)的東西,然後研究在這些規則框架下的一切可能性、現象及定理。就有如「中二病」上身,如《死亡筆記》的夜神月,「自以為」高高在上的造物者般,設定心目中「理想」世界背後的規則,然後根據這些規則「玩弄」他們世界裡的一切東西。

總結:物理學「不是」數學,不只是單純的數學公式而已
雖然數學不是科學,但它卻絕對是所有科學都夢昧以求想「追到手」的男/女神喔!畢竟最有效描述及預測(自然)世界運作的語言始終是數學。至於何解我們身處的世界那麼喜歡數學,那就沒人知了!

能貫徹了解物理學及數學真締的人其實少之又少,著名弦論物理學家愛德華.維藤(Edward Witten)是公認的少數。真正明白物理與數學本質的人,才不會說出「數學是科學」,「物理是數學」這些說話。

要簡單明瞭兩者的區別,你只要去圖書館或網上,找找物理學、數學的大學教科書各一本,或它們各自的研究論文看一看,便一目了然了。(PS: 這並不是指數學對科學不重要,學物理,科學可以忽視數學。小弟拙文裡平常很少引用數學公式,只是因為小弟目的旨在於引起大家的興趣,包括那些沒接觸過物理,深造過數學的人。科普文從來也不是學知識的捷徑。想真真正正地學習與深入理解物理學最好還是回到「那些年」去上課或看教科書吧!)

有興趣想了解多些物理學家、數學家怎看物理與數學的分別,可以看一下以下《Numberphile》的短片(https://youtu.be/m6rfpQXzXu0)

文章來源: https://m.kontent.com.hk/app/sectionDetail/471787266583298048

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