孫維新：牛頓發現了萬有引力？

聯合報╱孫維新 2009.01.02 03:20 am


有三個人搭乘火車，在英國的原野上觀光，一個人是工程師，一個人是物理學家，一個人是數學家。經過一處鄉村，三個人看到窗外草地上站著一隻黑色的羊，一動也不動。工程師首先驚訝開口：「沒有想到英國的羊是黑色的！」物理學家說話了：「我必須要糾正你，你應該說，你所看到的這一隻羊是黑色的。」數學家說話了：「我必須要糾正你，你應該說，你所看到的這一隻羊，這一邊是黑色的！」

三個人裡面，數學家最嚴謹而周延，他的信念就是科學工作者所遵守的原則：只能就自己所觀察到的部分作出結論。雖然我們從來沒有看過一隻羊，一邊黑色，一邊白色。

我在課堂上會問同學：「在杳無人煙的深山裡，一棵大樹倒下，會不會發出聲音來？」多數同學舉手說會，但結果只會悵然發現，這根本不是一個「科學」問題！「杳無人煙」的前提已經告訴我們，沒有「觀察」或「實驗」的可能，但從伽利略以降，「親身觀察」和「動手實驗」已經成了科學發展的主流，所以即使以前倒下的一千棵樹都曾經發出巨響，但這不能保證第一千零一棵樹會產生同樣的現象。科學只能「歸納」，不能「演繹」，理論上可以提出無數可能，但最終還是要以實驗來作出結論。

柳丁繞太陽 一樣要三六五天

自然界的客觀「事實」永遠存在，人們靠著長年努力，不斷提出「理論」來解釋這些「事實」。但是隨著科學發展，用來描述「事實」的「理論」常常需要汰舊換新，最明顯的例子，就是牛頓所提出的「萬有引力」。我在課堂上問：「牛頓是『發現』了萬有引力，還是『發明』了萬有引力？」百分之九十的學生會舉手說「發現」，另外百分之十的學生不見得知道正確答案，只是覺得老師的問題太過簡單，話裡一定有詐。

牛頓說，地球繞著太陽轉是因為兩者之間有「萬有引力」。但如果移開了地球，剩下太陽光桿一個，那是否還有「萬有引力」？今天物理學家逐漸用更周延的「時空曲率」來包容「萬有引力」的概念：太陽的存在，造成了它周遭「時空曲率」的改變，任何天體接近太陽，就只能沿著這個改變了的「時空曲率」運行，這也就是今天我們看到的行星軌道。的確，地球繞太陽一圈要三百六十五天，把地球移開，同樣位置換上一棵柳丁，繞太陽一圈也要三百六十五天。「時空曲率」的改變，讓天體運行在表象上看起來就是「有力」！

另一個更明顯的例子就是兩個人划船，分別從台灣和夏威夷前往南極，最後會在南極碰頭。兩個人在茫茫大海中，看不出地球表面的「曲率」，只會覺得兩船越來越近，自然會作出結論：兩船之間有「引力」相吸！其實只是因為他們所航行的表面不是平的。

思考太周延 失去冒險的樂趣

但是理論的提出和篩選，也會讓「詭辯」出現。西元前四百五十年希臘哲學家季諾所提出的詭辯，告訴我們特洛伊戰爭中的英雄阿基里斯（就是布萊德彼特啦！），在賽跑中永遠無法追上一隻先他出發的海龜；這個詭辯的另一個版本，是「飛馳的箭永遠無法抵達終點。」因為一枝箭要射到紅心，需要先經過旅途的一半，然後還要經過剩下旅途的一半，還有一半的一半…，有無數個一半在前面等著，因此這枝箭永遠無法射到靶上！

科學的進展是讓我們對自然環境的瞭解更清楚，解釋更周延，但是思考太周延，就有可能失去了冒險犯難的樂趣。一個物理學家和一個數學家，看到長廊彼端站著一位風姿綽約的女子，物理學家想上前搭訕，數學家搖搖頭：「根據季諾的詭辯，我們永遠也到不了她站的位置。」物理學家說：「不要緊，只要夠近就好了！」

（本文作者為台大物理系與天文物理研究所教授）