Saturday, July 14, 2012

Father of modern science

現代科學之父

最近日內瓦的『歐洲核子研究組織』(CERN)宣佈,極大可能找到了多年來遍尋不獲的「希格斯玻色子」〔Higgs boson又名「上帝粒子」〕。該粒子存在的論據,早於1964年由英國科學家希格斯及另外五位來自不同組織的科學家分別提出〔可見以希格斯命名並不公平〕。由於它極之不穩定,偵測它須倚靠間接證據。CERN兩團隊利用其全球規模最大的「大型強子對撞機」(Large Hadron Collider) ,進行獨立實驗,分析了龐雜的數據,終於偵測到粒子,出錯的機會低至三百萬分之一。然而,粒子的發現,只是意味解釋了整個宇宙內百分之四物質的質量〔可見「上帝粒子」之名也不貼切〕。下一步須要尋找的是佔宇宙約22%的「暗物質」,以及餘下約74%的「暗能量」。話雖如此,是項發現確實是現代科學的一個里程碑。

有關現代科學的鼻祖,有不少說法。有人說是哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473-1543) - 他提出日心說,並以數學方式表達。也有人說是開普勒(Johannes Kepler, 1571-1630) - 他歸納和證明了行星運動的三個定律,而這三個定律日後成了牛頓(Isaac Newton, 1642-1727) 天文學和引力物理〔即引力隨距離平方的增加而減少〕的基礎。然而,較多人推許伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)愛因斯坦(1879-1955) 及霍金(Stephen Hawking, 1942- ) 皆視他為現代科學之父。


傳說中,伽利略在比薩斜塔上進行實驗,證明了輕重兩物同時下墜,會同時到達地面。但這些都並無真憑實據,他本人也沒有記錄下來。事實上,史特芬(Simon Stevin, 1548-1620) 早於1568年在荷蘭德爾夫特(Delft) 教堂塔上進行了該實驗,並作了報告。

那麼,伽利略重要之處何在?科學史上,他是將實驗方法和歸納法與數學方法結合起來的第一人,因而建立了現今物理科學的方法。縱觀之,他對科學的貢獻有以下幾點。

a)     天文觀測-他利用自己設計、當時倍數最大的望遠鏡,發現了木星的四粒衛星、以及金星的所有位相。衛星環繞木星而行,打破了當時人們覺得所有天體均須以地球為中心運行的想法。而金星若是繞地球而行,我們不可能看到它的所有位相。這些發現均與地心說相逆,印證了哥白尼的日心說。

b)    動力學-他觀察室內的吊燈,發現擺錘的來回周期與擺幅無關,後人應用此結果,以擺鐘作時計。另外,由於物體自由降落時速度太大,用當時的儀器不易量度。要取得精確的結果,須將速度減至可用的範圍內。於是伽利略想到了用斜面進行實驗,並證實速度與降落的時間成正比例〔這引伸為物體降落的距離按時間的平方增加〕。為了進行精確的實驗,他訂定了時間與空間的量度標準,開創了時間和空間的數學觀念,令科學脫離當時的哲學和宗教走了一大步。

c)     慣性-伽利略還發現,摩擦力極小的情況下,球滚下一斜面後,會滚上另一斜面上同一高度的地方,與斜面的傾斜度大小無關。如果第二面是水平的,球會以恒速不斷往前走。這與古希臘以來一直覺得物體運動須要外力維持的想法不同。伽利略指出,需要外力的並不是運動本身,而是運動的產生、停止或方向改變。靜者常靜,動者常動,正正就是牛頓動力學的第一定律。

d)    相對論「前傳」-伽利略提出了相對論的基本定理,即任何以恒速循直線行走的系統,不論其速度或前進方向,均遵守同樣的物理定律。換言之,絕對運動或絕對靜止並不存在。這為牛頓動力學提供了框架,同時也是愛因斯坦狹義相對論的支柱之一。

可惜的是,當時的教庭視伽利略的日心學說為悖論,將他審問及批判。伽利略逼得撤回有關言論,才倖免入獄,他生命最後八年是家中軟禁渡過。要待至1992年,即350年後,教庭才承認誤判,為他平反。因為有此取態,自十六世紀末開始在華的天主教傳教士,所帶進中國的科學知識〔特別是天文學〕,大多落後於西方先進國最少數十年。


15-7-2012

參考

a)     科學史,W.C. Dampier 著,1929 〔中譯本,廣西師範大學出版社,2001年〕
b)    Wikipedia

〔作者保留版權〕

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