【正見網2004年01月28日】
科學與科學的預測性
科學是一門預測學嗎？讓我們先談談什麼是科學，也同時來談談科學的預測性。
前節我們談到撞球運動，撞球是不是一種科學現象？相信絕大部分讀者會同意，撞球是一種物理現象。為什麼呢？因為撞球是由重量數十克的球體，在地球這個重力場下的碰撞運動，符合古典力學原理，可以依據動量不滅與入射角等於反射角的原理來計算球體碰撞球抬周界與球體間碰撞前後前後運動變化，這就是自然科學上對撞球運動的描述。
這裡我們先提一個基本問題：在十七世紀古典力學開始發展以前，請問有沒有撞球遊戲呢？
答案是：有！根據歷史記載，在歐洲十四世紀時，撞球運動已經成為宮廷貴族的風行活動，當時沒有任何理論根據，可是人們憑著人體的直覺已經在玩撞球遊戲。這個問題提醒我們：
「現代科學是先有現象的發現，再有科學理論的發展」
所以客觀地說，應該是古典力學成功合理地解釋了撞球現象，而不是沒有古典力學就沒有撞球運動，這是基本發展關係的思考邏輯。這可以用來說明，不經思考認為某種現象，是迷信、是偽科學，這類的思考模式本身就不是科學邏輯思考。事實上只有「偽現象」沒有「偽科學」，也就是說確實出現一些現象是人為假造的，做出誤導的結論，思考上這不能稱之為「偽科學」。科學是對真實現象的認識，偽假的不在系統探討的範圍內，科學更不是絕對真理的代名詞。重點是現象的真實程度，只要是真實的現象，只有解釋錯誤或者停留於無法解釋，都不能稱之為「偽科學」、迷信，迷信不算是科學活動的用詞，以迷信、「偽科學」等絕對否定式的思考模式本身是不科學的。
因此我們有必要從的現代科學發展的精神，也就是自然科學思考的角度來回顧一下「科學演進的歷程」，所謂「現代科學」是西方自文藝復興時期，對於自然界、對宇宙的各種未知的現象，透過觀察後，歸納演繹，推理假設（假說），到實驗證明（定理、定律）現象在某種時空條件下的規律性。科學在不同範圍發展所認識到的各種規律，自然都受到該範圍界限，因此簡單說，越不隨著時間與空間變化，代表著愈廣愈真實的規律性。從自然科學發展的過程，人類從目視可見的事物範圍開始探索研究，包括星系、天體至宇宙，進而再到十九世紀末開始探索微觀原子的世界。就以顆粒大小為例，從一個蘋果大小開始，至巨觀到地球、太陽、銀河系，更多龐大的星系組成的可觀測宇宙，直徑有150億光年，真是像古人形容「其大無外」，大到我們無法知道到底有沒有宇宙的邊緣；另一微觀方面，從細胞、分子、原子到質子、電子、夸克，到甚至可以輕鬆穿過星球、電磁場的中微子（宇宙中每一個質子，對應就有1,000,000,000個中微子），對所謂基本粒子的探索，現代科學也發現似乎是無窮無盡，越小的粒子反而得建造越巨大儀器設備來探測，同樣是「其小無內」。結果似乎同古印度、古代中國人的認識不謀而合。
就從眼睛看得見的蘋果談起，當年蘋果掉落打到牛頓的頭上時，蘋果會往下掉的現象是個真實的現象。當牛頓想了解研究為什麼蘋果往下掉，問什麼力量拽拉蘋果往下掉時，不論他做什麼假設，像神的力量、樹枝的斥力、根的吸力……，一個懂科學思考的人不會說他是在搞迷信，也不會以「這有什麼好研究，自然現象」否定的態度來對待。科學的思維會開始探索了：蘋果真的會往下掉？在英國蘋果會往下掉，那在美國呢？北極呢？赤道呢？其它東西也往下掉麼？鐵錘與羽毛也往下掉嗎？鐵錘落的會快一些嗎？如果蘋果在月球上呢？在太空中呢？現在這樣，過去歷史呢？未來呢？這樣的一系列觀察、思考就讓我們人類發現古典力學的規則性。所以以長度區分，從一個蘋果直徑0.1米到地球直徑12,756,000米，這樣的球體運動似乎都能適用於古典牛頓力學。
根據古典力學，我們能設計人造衛星繞行地球軌道、周期，能計算該衛星所需要的重量，能設計飛機、太空梭克服地球引力升空，當然也能設計蓋建摩天大樓、雲霄飛車。這裡我們不難看出來，在牛頓力學的認識範圍內，古典力學也等於有了預測能力，許多工程技術其實都是預測結果的體現，所謂的設計其本質意義不就是預測嗎！從法國的艾菲爾鐵塔（1889年）到美國胡佛水壩（1936年），從汽車公路到電車鐵道，從海上輪船到空中飛機，在地球這個重力場一次次預測建造一項項人類的現代文明。
從巨觀的角度看，牛頓時代我們在地球上已經能算出光的速度，每秒約走3108米，所以面對像更宏大的宇宙天體時，人們發現得用更大的尺度，得用光的運動尺度「光年」來描述，光年為光走一年的距離，相當於3108x365246060＝9.461015米，像距離太陽系最近的半人馬星座是4.2光年，銀河系的直徑為12萬光年，距離地球最遠天體星系是120億光年，這涉及更大更大質量的重力場與時空變化，已經超出古典力學的觀察，很多現象解釋不了了。所幸上世紀初，出現另一個充滿想像力的年輕人，有天他騎在腳踏車上時，想像自己像光一樣穿梭於空間中，這個世界會是什麼樣？這一想想出了相對論，這個根據古典力學的預測，把現代人類對空間與時間、質量與能量認識，大大地往前拓寬擴廣了推進了一大步，可以說改變整個現代人類世界。美國《時代》雜誌選出的「二十世紀風雲人物」，不是什麼政要富商，正是這位改變歷史的科學家－愛因斯坦。當代的科學家透過太空望遠鏡觀測到了宇宙黑洞，觀察到龐大宇宙有百分之八十五以上的不可見的暗物質、暗能量存在，龐大的天體很可能是多維空間，也就是四度、五度、十幾度，甚至幾十度的多重空間，只有三維認識的人類看宇宙，其實很可能認識到一層「影子」。於是站在相對論的基礎上，科學家又提出像大爆炸理論、超弦理論、膜理論等多維時空理論來重新認識我們所觀測的一些宇宙現象。這都是古典力學認識不到，解釋不了的現象。
另一個極端尺度，就是微觀的原子、原子核、電子、質子、中子，甚至更小的像夸克、中微子等的微觀世界。這個範疇用的尺度就是埃（A,Anstroom, 10-10米）或現在最流行的奈米（nanometer, 10-9米），甚至用到picometer（10-12米） ，為單位。一般的原子大小約為3A或0.3奈米，中子、質子就更小了約10-6奈米。這個既狹小又廣闊的世界，為什麼這樣形容呢？假如把原子放大到像一個足球場，我們會看到原子核像是足球場中心放個高爾夫球般，這個世界對人來說狹小到肉眼、最精密的儀器都無法直接觀測，卻又發現是遼闊而空曠的空間。二十世紀初期，科學家開始透過間接方式觀察這個微小的世界時，發現古典牛頓力學根本使不上力，「量子力學」應運而生，「測不準原理」（uncertainty principle）是這個小世界的基本遊戲規則。這又是個變幻的空間，挑戰人類的思想，什麼是量子力學？什麼叫「測不準原理」呢？10個學過量子力學有9個會感到頭疼，另外的1個是天生就頭疼的，連愛因斯坦都頭疼，這就是為什麼他會說「不相信上帝會玩骰子」的歷史名言來形容量子力學。
量子力學簡單說就是統計力學，再簡單一點就是玩骰子、算機率；「測不準」就是我們無法同時測出微粒子的精確位置與速度。以原子為例，為什麼以變幻來形容，嚴格說是我們跟本不知道電子在哪裡是怎麼運動，所以描述電子用的是「軌域」的概念，意思就是電子在不同固定區域出現的機率，不同區域代表電子不同能量狀態，如果我們能用肉眼看電子，會看到電子像日本的忍者，一下出現這兒一下出現在那兒，也像孫悟空能分身般同時出現很多地方，這就是為什麼測不準，為什麼叫統計力學，因為電子的波動特性，量子力學用的波函數就是統計機率。這現象儼然又像個縮小版的多維空間，確實會讓三維空間概念的人迷惑，所以量子力學發現了微小粒子都有波粒二重性，也就是說微小粒子有波動的特性，像光波，有能量，有頻率；也像小球粒，有質量，有碰撞現象。打個比喻也許讀者們容易懂，如果把電子當一個人，它真像一個煉就一身忍術的忍者，當我們偏重粒子性時，比如真去抓個電子來看一看時，就會發現抓到的像是具死屍體，雖然可以知道電子（忍者）的位置，但是死的忍者在原子裡練功夫時是在笑或是哭，它是個俠義劍客還是冷血殺手，精神層次無法得知，就是電子的能量狀態測不到了。一旦我們想了解電子的能量（速度），就像是想看清忍者的表情，想了解他的個性，這時會發現它忽東忽西或是像有分身術般，同時出現好幾個忍者，分不清楚他在哪或是那一個才是他。這就是量子波動力學，波的強弱決定粒子出現機率，一切以機率計算。波動方程式的創始人薛丁格（Erwin Schrodinger）有個著名的例子，叫「薛丁格的貓」，光討論貓是活貓、死貓恐怕一般讀者會發飆了，傳統的觀念是非死即活，就二種情形，薛丁格的貓是既死的也是活的，量子世界死活並存，簡單說就是不同尺度的世界對存在的概念也不同。
相對論與量子論的發現，根據這些理論預測所發展出來的科技，真是顛覆現代人類的生活。原子彈、核能科技讓現代人類擁有巨大能量，甚至足以瞬間毀滅人類的能力，量子化的現象更讓科技應用有突破性的發展，像雷射、半導體、超導體、電腦技術等數化科技，帶動發展生化科技、太空科技、電訊電子科技、奈米科技等等都是科學家腦中假想、預測的實踐。
現代科學是如何預測的呢？我們可以舉個明顯有趣的例子，根據相對論物體的運動速度對時間會產生變化，所以科學家就發現地表與人造衛星會有些微的時間差，因為衛星相對運動速度大於地球表面，由於速度變化相對於光速而言，這些變化太小，差異就不明顯，科學能預測差異做出適當的修正。一旦物體以接近光速進行時，這時候時間就不再是個絕對值，我們的思想從新調整調整了，所以美國好萊塢拍了很多像回到未來、回到過去的電影，這不再僅是幻想而是有科學理論依據的預測。如果人體能以光速飛行，大概不會大嘆光陰無情，於是逝者不再如斯，「大江東去，浪淘盡千古風流人物」成為「黃河西返，古今風流人物同登時間舞台」！時空概念會出現截然不同的變化，過去、現在、未來的時間軸會變成像一條高速公路一樣，人們沿途瀏覽風光不再是只能以一定速度往前開，變成可以開快，可以開慢，甚至迴轉掉頭往回開。對於一個光速的生命能把人類的歷史，從舞台戲變成像數位化的3D電影般，一切人物都是栩栩如生，置身其中也是逼真動人，不一樣的是這個觀眾會象光一般，所以會出現演員看不見觀眾，不知道觀眾正在觀賞他的演技，不再像舞台劇是演員觀眾台上台下的畫面。另一很大的差異是3D電影可以不按時間順序看，可以從中間看，也可以忽快忽慢觀賞精采片段，而舞台劇只能隨著時間人去樓空。讀者如要體會光速世界，恐怕得讓頭腦先做做暖身操，時空景象會出現巨大變化，不只是像坐雲霄飛車心臟有巨大承受，頭腦概念恐怕會先承受巨大衝擊，我們現在的生活經驗與觀念會出現完全不適用的情況發生。所以讀者也許會發現連觀念本身也發生變化了，過去我們認為怎麼可能回到未來，現在我們首先該思考的已經不是能不能回到未來的問題，而是能不能以光速進行才是問題。
再舉個對觀念衝擊壓力小些的例子，我們都以為光是直線進行，遇到不透明物體會被遮蔽、會反射，所以有明暗陰影現象發生，會構成我們現在生活的地球多采多姿美麗的景象。在地球是這樣，到了宇宙太空這情景就發生變化了，愛因斯坦的相對論有次成功的預測，透過實驗被證實了：當光遇到像太陽這麼大質量（查質量）形成的重力場時，會受周圍扭曲的四維時空場影響，這時候光會出現彎曲行進的情形發生。1919年5月29日非洲有日蝕現象出現，英國的科學家到了非洲實地用望遠鏡觀察日蝕時，發現位於太陽背後的恆星並沒有因此被遮蔽，而是曲射產生偏移的現象，光真的轉了個彎！愛因斯坦的預測是正確，如果在牛頓時代，有人提出光線遇到不透明體會彎曲行進，恐怕會被踢出科學殿堂外，到了殿堂外說不定還被一群憤憤不平的群眾毒打一頓。即使愛因斯坦當年提出預測時，很多人也是持懷疑的態度。
愛因斯坦根據他的認識提出預測，科學理論本身就是預測學。其它領域的科學也是有同樣的特性，像化學的酸鹼理論，當酸（氫離子）遇上鹼（氫氧根離子），我們很自然會預測有鹽類與水分子生成。這個現象到了人體內，酸的作用就變化多端，除了酸鹼中和外，有催化分解作用、有分子聚合作用、有緩衝平衡效應，預測就必須考慮反應條件其它因素，單純酸鹼理論不適用了。像數學裡的加法就是一門標準的預測學，懂1＋1＝2就能預測359＋286＝645，能預測任何數字相加，於是不知不覺中我們往往把1＋1＝2當成真理了。可是換個時空條件，1＋1不一定等於2了，例如在太陽表面，1＋1＝1，一個氫原子加一個氫原子成為一個氦原子，這是太陽表面每分每秒不停在進行的加法。從這個角度看：科學理論本身就是預測學，因為掌握某種層次的理，某種的時空範圍的規則性，才能準確預測未發生的事。
