科学与科学的预测性

在这里，我们先提一个基本问题：在十七世纪古典力学开始发展以前，有没有撞球游戏呢？

答案是：有！根据历史记载，在十四世纪时的欧洲，撞球运动已经成为宫廷贵族的流行活动，当时没有任何理论根据，可是人们凭着人体的直觉已经在玩撞球游戏。这个问题提醒我们：

“现代科学是先有现象的发现，再有科学理论的发展。”

所以，客观地说，应该是古典力学成功合理地解释了撞球现象，而不是没有古典力学就没有撞球运动，这是基本发展关系的思考逻辑。这可以用来说明，不经思考便认为某种现象是迷信、是伪科学，这类的思考模式本身就不是科学的逻辑思考。事实上，只有“伪现象”而没有“伪科学”，也就是说，某些现象的出现确实是人为假造的，它们也做出了误导的结论，但这并不能称之为“伪科学”，因为科学是一种对真实现象的认识，伪假并不在其探讨的范围内。另外，“科学”更不是绝对真理的代名词，重点是现象的真实程度，只要是真实的现象，只有解释错误或者停留于无法解释，不能称其为“伪科学”、迷信，迷信不算是科学活动的用词，以迷信、 “伪科学”等绝对否定式的思考模式，本身是不科学的。因此，我们有必要从现代科学发展的精神，也就是自然科学思考的角度来回顾一下“科学演进的历程”，所谓“现代科学”是西方自文艺复兴时期，对于自然界、宇宙的各种未知现象，透过观察后，归纳演绎，推理假设（假说），然后实验证明（定理、定律）这些现象在某种时空条件下的规律性。

科学在不同范围下所认识到的各种规律，自然都会受到该范围的局限，因此简单地说，越不随着时间与空间变化，代表着愈广愈真实的规律性。在自然科学发展的过程中，人类从目视可见的事物范围开始探索研究，包括星系、天体、乃至宇宙，进而再到十九世纪末开始探索微观原子的世界。就以颗粒大小为例，从一个苹果的大小开始，巨观到地球、太阳、银河系，甚至更多庞大星系组成的可观测宇宙，其直径有150亿光年，就像古人所形容的“其大无外”，大到我们无法知道到底有没有宇宙的边缘；另一微观方面，从细胞、分子、原子到质子、电子、夸克，到甚至可以轻松穿过星球、电磁场的中微子（宇宙中每一个质子，就对应有 1,000,000,000个中微子），对所谓基本粒子的探索，现代科学也发现似乎是无穷无尽，越小的粒子反而得建造越巨大的仪器设备来探测，同样是“其小无内”。而这些结果，似乎与古印度、古代中国人的认识不谋而合。

就从眼睛看得见的苹果谈起，当年苹果掉落打到牛顿的头上时，苹果会往下掉的现象是个真实的现象。当牛顿想了解为什么苹果会往下掉、研究到底是什么力量拽拉苹果往下掉时，不论他做什么假设──神的力量、树枝的斥力、根的吸力……一个懂科学思考的人不会说他是在搞迷信，也不会以“这有什么好研究的，只是自然现象而已”的这种否定态度来对待。科学的思维会开始探索：苹果真的会往下掉？在英国苹果会往下掉，那在美国呢？北极呢？赤道呢？其他东西也往下掉吗？铁锤与羽毛也往下掉吗？铁锤落得会快一些吗？如果苹果在月球上呢？在太空中呢？现在这样，过去呢？未来呢？这样的一连串观察、思考就让我们人类发现了古典力学的规则性。所以以长度区分，从一个苹果直径0.1公尺到地球直径 12,756,000公尺，这样的球体运动似乎都能适用于古典力学。

根据古典力学，我们能设计人造卫星绕行地球的轨道、周期，能计算该卫星所需要的重量，能设计飞机、太空梭克服地球引力升空，当然也能设计盖建摩天大楼、云霄飞车。从这里我们不难看出来，在牛顿力学的认识范围内，古典力学也等于有了预测能力，许多工程技术其实都是预测结果的展现，所谓的设计，其本质上的意义不就是预测吗！从法国的艾菲尔铁塔（西元1889年）到美国胡佛水坝（西元1936年）；从汽车公路到电车铁道；从海上轮船到空中飞机──在地球这个重力场中，这一次次的预测，建造了一项项人类的现代文明。

从巨观的角度来看，在牛顿时代，我们在地球上已经能算出光的速度每秒约走3×108公尺，所以面对像宇宙这样更宏大的天体时，人们发现，得用更大的尺度──得用光的运动尺度“光年”来描述距离。“光年”为光走一年的距离，相当于3×108×365×24×60×60＝9.46×1015公尺，比如距离太阳系最近的半人马星座为4.2光年，银河系的直径为12万光年，距离地球最远天体星系是120亿光年，这涉及更大质量的重力场与时空变化，已经超出古典力学的观察，很多现象都解释不了了。所幸上世纪初，出现了另一个充满想像力的年轻人，有一天他骑在脚踏车上时，想像自己像光一样穿梭于空间中，这个世界会是什么模样？他这一想，便想出了相对论，这个根据古典力学的预测，把现代人类对空间与时间、质量与能量的认识，大大地往前推进了一大步，可以说改变了整个现代的人类世界。

美国《时代》杂志选出的“二十世纪风云人物”，并不是什么政要富商，正是这位改变历史的科学家──爱因斯坦。当代的科学家透过太空望远镜观测到了宇宙黑洞，观察到庞大宇宙有85％以上不可见的暗物质、暗能量存在，庞大的天体很可能是多维空间，也就是四度、五度、十几度，甚至几十度的多重空间，只有三维认识的人类看宇宙，其实很可能只认识到一层“影子”。于是，站在相对论的基础上，科学家又提出像大爆炸理论、超弦理论、膜理论等多维时空理论来重新认识我们所观测的一些宇宙现象。而这都是古典力学认识不到，解释不了的现象。另一个极端尺度，就是微观的原子、原子核、电子、质子、中子，甚至更小的像夸克、中微子等的微观世界。

这个范畴用的尺度就是埃（Angstrom，10-10公尺）或现在最流行的奈米（nanometer，10-9公尺），甚至用到(picometer，10-12公尺)为单位。一般的原子大小约为3A或0.3奈米，中子、质子就更小了，约10-6奈米。这真是个既狭小又广阔的世界，为什么这样形容呢？假如把原子放大到像一个足球场，我们会看到原子核就像是足球场中心放了个高尔夫球般，这个世界对人来说狭小到肉眼、最精密的仪器都无法直接观测，但却又是辽阔而空旷的空间。二十世纪初期，当科学家开始透过间接方式观察这个微小的世界时，发现古典牛顿力学根本使不上力，于是“量子力学”应运而生，“测不准原理”（Uncertainty Principle）则是这个微观世界的基本游戏规则，这又是个变幻的多维空间，挑战人类的思想。那么，什么是量子力学？什么叫“测不准原理”呢？

量子力学，简单说就是“统计力学”，再简单一点就是玩骰子、算机率；“测不准”就是我们无法同时测出微粒子的精确位置与速度。以原子内的电子为例，为什么以变幻来形容，严格来说，我们根本不知道电子在那里？是怎么运动？所以描述电子用的是“轨域”的概念，意思就是电子在不同固定区域出现的机率，不同区域代表电子不同能量状态，如果我们能用肉眼看电子，会看到电子像孙悟空能分身般，同时出现在很多地方，可能一下子出现在这儿，一下子出现在那儿，这就是为什么测不准，为什么叫统计力学，因为电子的波动特性，量子力学用的波函数就是统计机率。

这现象俨然又像个缩小版的多维空间，确实会让三维空间概念的人产生迷惑，所以量子力学发现了微小粒子都有波粒二重性，也就是说微小粒子有波动的特性，像光波，有能量，有频率；也像小球粒，有质量，有碰撞现象。打个比喻也许读者们可以比较容易懂：如果把电子当一个人，它像一个练就一身忍术的忍者，当我们偏重粒子性时，比如真去抓个电子来看一看时，就会发现抓到的像是具尸体，虽然可以知道电子（忍者）的位置，但是死的忍者在原子里练功夫时是在笑或是哭，它是个侠义剑客还是冷血杀手，精神层次无法得知，就是电子的能量状态测不到了。

一旦我们想了解电子的能量（速度），就像是想看清忍者的表情，想了解他的个性，这时会发现它忽东忽西或是像有分身术般，同时出现好几个忍者，分不清楚他在哪里或是哪一个才是他。这就是量子波动力学，波的强弱决定粒子出现机率，一切以机率计算。波动方程式的创始人薛丁格（Erwin Schrodinger）有个著名的例子，叫“薛丁格的猫”，光讨论猫是活猫、死猫，恐怕一般读者会思想混乱，传统的观念是非死即活，就两种情形，但薛丁格的猫既是死的、也是活的，量子世界死活并存，简单的说，就是不同尺度的世界对存在的概念也不相同。

相对论与量子论发现后，根据这些理论预测所发展出来的科技，真是颠覆现代人类的生活。原子弹、核能科技让现代人类拥有巨大能量，甚至有足以瞬间毁灭人类的能力。量子化的现象更让科技应用有突破性的发展，像雷射、半导体、超导体、电脑技术等数位化科技，带动发展生化科技、太空科技、电讯电子科技、奈米科技等等，都是科学家脑中假想、预测的实践。

现代科学是如何预测的呢？我们可以举个明显有趣的例子，根据相对论物体的运动速度对时间会产生变化，所以科学家就发现地表与人造卫星会有些微的时间差，因为卫星相对运动速度大于地球表面，由于速度变化相对于光速而言，这些变化太小，差异就不明显，科学能预测差异做出适当的修正。一旦物体以接近光速进行时，这时候时间就不再是个绝对值，我们的思想重新调整了，所以美国好莱坞拍了很多像回到未来、回到过去的电影，这不再仅是幻想，而是有科学理论依据的预测。如果人体能以光速飞行，大概不会再大叹光阴无情，于是逝者不再如斯，“大江东去，浪淘尽，千古风流人物”也将成为“黄河西返，古今风流人物同登时间舞台！”时空概念会出现截然不同的变化，过去、现在、未来的时间轴会变成像一条高速公路一样，人们沿途浏览风光不再是只能以一个方向、一定速度往前开，而变成是可以开快、可以开慢，甚至回转掉头往回开。一个光速的生命能把人类的历史，从舞台剧变成像3D电影般，一切人物都是栩栩如生，置身其中也是逼真动人，但不一样的是这个观众会像光一般，所以会出现演员看不见观众，不知道观众正在观赏他的演技，不再像舞台剧般是演员观众台上台下的画面。

另一个很大的差异是3D电影可以不按时间顺序去看，它可以从中间看，也可以忽快忽慢观赏精采片段，而舞台剧只能随着时间人去楼空。读者如要体验光速世界，恐怕得让头脑先做做暖身操，因为时空景象会出现巨大变化，不只是像坐云霄飞车，心脏有巨大承受力便可以，体验光速世界，头脑概念恐怕会先承受巨大冲击，我们现在的生活经验与观念也可能会出现完全不适用的情况。所以读者也许会发现连观念本身也发生变化了，过去我们认为怎么可能回到未来，现在我们首先该思考的已经不是能不能回到未来的问题，而是人体能不能以光速进行，才是问题所在。

再举个例子，我们都以为光是直线进行，遇到不透明物体会被遮蔽、会反射，所以有明暗阴影的现象发生，也因而构成了我们生活环境中多采多姿美丽的景象。但在地球上是这样，到了宇宙太空，这情景就发生变化了，爱因斯坦的相对论有次成功的预测，透过实验被证实了：当光遇到像太阳这么大的质量所形成的重力场时，会受周围扭曲的时空场影响，这时候光会出现弯曲行进的情形。1919年5月29日非洲有日蚀现象出现，英国的科学家到了非洲实地用望远镜观察日蚀时，发现位于太阳背后的恒星并没有因此被遮蔽，而是曲射产生偏移的现象，光真的转了个弯（如下图所示）！爱因斯坦的预测被证明是正确的，如果在牛顿时代，有人提出光线遇到不透明体会弯曲行进，恐怕会被踢出科学的殿堂之外，即使在爱因斯坦当年提出预测时，许多人也是持怀疑的态度。

爱因斯坦根据他的认识提出预测，科学理论本身就是预测学。其他领域的科学也是有同样的特性，像化学的酸碱理论，当酸（氢离子）遇上碱（氢氧根离子），我们很自然会预测有盐类与水分子生成。这个现象到了人体内，酸的作用就变化多端，除了酸碱中和外，还有催化分解作用、分子聚合作用、缓冲平衡效应，预测就必须考虑反应条件等其他因素，单纯的酸碱理论便不适用了。另外，像数学里的加法就是一门标准的预测学，懂1＋1＝2就能预测359＋286＝645，能预测任何数字相加，于是不知不觉中我们往往把1＋1＝2当成真理了。可是换个时空条件，1＋1不一定等于2了，例如在太阳表面，1＋1＝1，一个氢原子加一个氢原子成为一个氦原子，这是太阳表面每分每秒不停在进行的加法。从这个角度看：科学理论本身就是预测学，因为掌握某种层次的理，某种的时空范围的规则性，才能准确预测未发生的事。

－－转自正见网《预言中的今天》