稜鏡與擺錘：探究科學實驗之美——《如何幫地球量體重》書評
- 科學家隨筆
- 撰文者：林志忠
- 發文日期：2019-06-24
- 點閱次數：718
書名：如何幫地球量體重？
The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science (Random House, October 2004)
作者：克里斯（Robert P. Crease）
譯者：蔡承志
出版公司：貓頭鷹出版社
出版日期：2007年1月
〔電子的〕干涉圖樣實驗從明顯隨機映現的個別斑點逐漸成形，令人難以忘懷，那就彷若薄暮時分，細小星辰在你眼前映現〔逐漸〕構成銀河。
本書成書的緣起在於，作者意識到他常常在許多不同的場合，聽到一些科學家不約而同讚歎、或是評述說：某某實驗「是一項很美的實驗」。在與科學家的密切往來中，他並且深刻的體認到，在說這樣的話的那些科學家的眼中，他們確實相信他們所描述的實驗，實實在在就是一種美的事物。這是一個乍聽之下，令人感到困惑的問題。藝術（音樂、美術、戲劇等）可以是美的，無人置疑。但是科學也能夠達到美的層次嗎？科學不都應該是完全的理性和絕對的客觀的嗎？為什麼科學也可以包含美的事物呢？因此作者展開了他的科學之美，尤其是「科學實驗之美」的探究之旅！
即使科學可以是美的，在一般的看法（筆者認為這是一種哲學上的偏見）中，也往往認為抽象的概念，好比某個方程式、模型和理論，因為單純、簡潔，或洞徹有深度，因此可以被和美聯想在一起。但是實驗則是和機器、機件、化學物質、甚至雜亂的空間相混雜，如何能夠符合美的要件呢？作者不愧是一位卓識的科學史與科學哲學家，他不但獨具洞見的要探討「科學實驗」（而不只是抽象的科學理論）之美，他還想要解答兩個隨之衍生而來的問題：一是倘若實驗可以是美的，那麼美對實驗的意義何在？二是如果實驗可以具有美的屬性，那麼這對美又代表什麼意義？在提出這兩個深刻的問題之際，作者其實已經知道了答案。換句話說，作者不但肯定科學實驗之中具備有美的要素，而且他也確信，千百年來科學實驗的進展和結果在逐步修正了人類的宇宙觀之際，也（伴同藝術）同時塑造了人類對於美的新的認知與感受。
在確定了科學實驗具有美的屬性之後，作者進一步具體指出科學實驗之美的三個要素：「深度」、「效能」，及「明確性」。「深度」是指該項科學實驗必須能夠顯示客觀世界的某種深層事物，從而改變我們對身處宇宙的認識；也就是該項實驗的結果大幅度翻新我們的科學知識，從而改變了我們的宇宙觀。「效能」是指該項科學實驗的設計及安排必須非常的巧妙、精密，廣泛融入許多當時科學領域的知識與定律，因此在該實驗完成之後，別人就沒有必要為了得到同一項結果，而必須再另外重新設計一套更有效的實驗。「明確性」是指該項科學實驗所觀測到的結果，必須就是最後的定論，明確、清晰，而不需要再進一步做歸納或推論之後才顯現出來。能夠同時具備以上三個要素的科學實驗，就可以被稱做是一項美的科學實驗。（對於美的理解，現代一般人士的認知與西方的傳統美感存有落差。西方的傳統美感具有很大的知性成分，古希臘人認為美的事物就是指任何具有價值的，堪為典範的事物，包括定律、制度、靈魂和行動等。柏拉圖稱美是可見領域中理念之美的閃現，是真、善事物所具有的光輝。）
那麼，在人類的悠悠科學史長河中，哪些實驗算得上是最美的科學實驗呢？當然這是一個見仁見智的問題，沒有標準答案。不過作者從他對「臨界點」專欄讀者所做的民調中，整理出10個「史上最美的科學實驗」。他把全書分成10章，逐一討論：從公元前的測量地球圓周實驗、16世紀的比薩斜塔自由落體實驗、……17世紀的稜鏡分光實驗、……19世紀的傅科擺地球自轉實驗、……，到20世紀的原子核散射實驗，和單一電子的量子干涉實驗為止。作者認為這樣按照年代順序的安排，可以讓讀者產生一種強烈的感受，體認到科學縱貫近2500年的宏偉歷程。而這種情感力量（令人感到神秘、心生敬畏、引發無比的激情等等），也正是科學實驗所內蘊的美感之一。——作者所選定的十個史上最美的科學實驗，碰巧都是物理學的實驗。
本書另一項特色是，在每一章之後，都緊隨有一篇「插曲」，延伸探討該項科學實驗的內涵（哲學）意義或相關主題。這些插曲不但探討了科學與美學的問題，比較了科學與藝術在本質上的差別，同時也討論了實驗和演示的區別，科學發展過程中的類比與隱喻，以及科學中的知覺等有關自然科學知識的體系，如何建立與逐步演化的議題。另外引伸的主題如「科學為什麼美？」、「牛頓—貝多芬的比較」、「科學會破壞美嗎？」、和「科學之藝術性」諸篇，都是討論有關人文與科學「兩種文明（two cultures）」之嚴肅、有趣，卻又極為不易回答的問題。一個令人莞爾的例子是在「科學會破壞美嗎？」插曲中提到，在牛頓的稜鏡分光實驗之後，直到十八、九世紀，仍然有許多的（歐美）詩人以及作家為此爭論不休，有的人認為牛頓剝奪了彩虹的秘密，「讓彩虹淪為分光色彩，完全破壞了其中的詩趣」，但是也有一些人則認為牛頓開啟了美的新國度。（這讓我們想起了一個費曼的故事：「科學知識，」費曼說，「只會讓一朵花更奧妙，更令人激動、肅然起敬。」）從這些主題的選擇，就可以想見本書的涵蓋面之廣，以及作者的用心之深。本書確實兼備了啟發性、嚴肅性、知識性與趣味性等各種優點，是近年來極為突出的一部科普著作，值得細讀與思考。
做為一本科普書籍，本書饒富趣味性。本書的趣味性在於書中有諸多篇幅，談論到了這些偉大科學家的許多另類（比如藝術）才能，以及他們的各種人性面。這些題材，讀者在字裡行間邂逅之時，會有意想不到的趣味性。如書中談到伽俐略因為具備了扎實的音樂才能，可以精確的計算節拍，因此能夠準確計時，成功的進行了他的斜面加速度實驗。構想出雙狹縫干涉實驗的楊氏，也是最早解讀埃及象形文字的人士之一，他後來還在羅塞塔石碑的解譯工作上扮演了重要的角色。拉塞福在進行α粒子實驗的初期，對於數據的解釋感到茫無頭緒，他以為α粒子是在物質（他的實驗裝置裡的金屬薄片）裡面進行了多次的碰撞，才造成了散亂飛射的路徑。因此他以為要解釋這種現象，必須要深入了解機率數學，於是特地去選讀了一門機率概論課程，並且勤奮記筆記、做作業。（在這之前一年，拉塞福已經因為他在元素的蛻變及放射性物質的化學作用方面的突破性研究，榮獲了諾貝爾「化學獎」。）這類人性化（因為人性化所以讀者覺得有趣）的小故事，不勝枚舉，增進了我們對於科學家以及科學進展過程的興味與理解。
閱讀本書的過程中，我們會深刻地體認到，科學其實是蘊涵在整個社會文明緩慢而長久的進展歷程之中，它並不僅是一項客觀、外在知識的累積而已。比如公元前三世紀，希臘學者埃拉托塞尼斯（Eratosthenes）之所以能夠成功測度地球的周長，便是因為他運用了當時的一些地理知識〔亞歷山卓（Alexandria）與色耶尼（Syene）兩座埃及古城在子午線上的位置以及它們之間的距離〕，而那些知識是每年在尼羅河季節氾濫之後，埃及政府派遣皇家調查員去步測大地，重繪地圖的結果。到了中世紀之後，如一六六一年英國「倫敦皇家學會」成立，宗旨是為了「增進自然知識」；一七七二年英國皇家學會委任「萬有引力委員會」，嘗試測量地球密度；十九世紀末期，美國芝加哥大學物理學家邁克生的實驗室嚴格要求要建築牢靠，隔絕效果良好，因此只用實心木頭和厚重石料搭蓋，而沒有鐵材，以免出現磁干擾等等；都可以讓我們徹底了解，近代科學之出現於西方而不出現於東方的明顯道理。本書的英文書名若是直接翻譯為中文，應是《稜鏡與擺錘》。英文原書用這兩項簡單的日常器物命名，書籍就可以暢銷。但是在中譯本，就必須改用一個較具吸引力（或有些聳動性）的名字，以便希望可以吸引讀者。這個舉動正反映了科學以及科學實驗確實還沒有融入我們的社會文化之中。許多時候，我們對於科學的認識與追求，還仍只是停留在「中學為體，西學為用」的外加知識與技術的層次而已。
本書的最大特色並不僅止於討論科學與藝術之美，以及兩種文明之間的錯綜複雜的糾葛關係。本書最大的特色在於作者的慧眼獨具，能夠超越許多科學家與科學史家的觀點，將科學之美勇敢的賦予「實驗」（實驗的構思、實驗的裝置、實驗的過程、實驗的結果，以及實驗學家的各自人格特質等等），而非止於抽象的理論而已。科學奇才費曼是許多人心目中的偶像，很多人認為費曼最有資格來定義科學的課題與意義。我們且引用費曼的話（引自《費曼手札》），做為本書的迴響：「實驗與觀察是判斷某種想法對錯，唯一可拍版定案的方式。科學不是一種我們緊緊追隨的哲學理念，而是事實的展現。……大自然藉實驗結果表示出意見，你會一步步得到實質的進展。」
最後，或許有部分讀者會想問：我們可以不太費力氣的就能夠深切體驗到科學（實驗）的美感嗎？很可惜，答案是不行。科學（實驗）是一種漸進累積的文化歷程，「十年樹木，百年樹人」的道理在這裡完全適用。
2007/04/08
（本文的濃縮版曾刊載於《科學人》2007年5月號。感謝台大物理系高涌泉教授邀請筆者撰寫這篇書評。）
The Prism and the Pendulum: The Ten Most Beautiful Experiments in Science (Random House, October 2004)
作者：克里斯（Robert P. Crease）
譯者：蔡承志
出版公司：貓頭鷹出版社
出版日期：2007年1月
〔電子的〕干涉圖樣實驗從明顯隨機映現的個別斑點逐漸成形，令人難以忘懷，那就彷若薄暮時分，細小星辰在你眼前映現〔逐漸〕構成銀河。
外村彰 (Akira Tonomura)
本書的作者克里斯（Robert Crease）是美國紐約石溪大學哲學系的教授，一九八七年從哥倫比亞大學獲得哲學博士學位。他也是美國布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的史學家，以及英國物理學會出版品《物理世界（Physics World）》雜誌的特約專欄作家，每個月為《物理世界》的「臨界點（Critical Point）」專欄撰寫一篇科學歷史與哲學方面的文章。克里斯的「臨界點」專欄，文筆清晰流暢，觀點新穎而富啟發性，在在反映了他融合人文與科學於一身的深厚學養。本書成書的緣起在於，作者意識到他常常在許多不同的場合，聽到一些科學家不約而同讚歎、或是評述說：某某實驗「是一項很美的實驗」。在與科學家的密切往來中，他並且深刻的體認到，在說這樣的話的那些科學家的眼中，他們確實相信他們所描述的實驗，實實在在就是一種美的事物。這是一個乍聽之下，令人感到困惑的問題。藝術（音樂、美術、戲劇等）可以是美的，無人置疑。但是科學也能夠達到美的層次嗎？科學不都應該是完全的理性和絕對的客觀的嗎？為什麼科學也可以包含美的事物呢？因此作者展開了他的科學之美，尤其是「科學實驗之美」的探究之旅！
即使科學可以是美的，在一般的看法（筆者認為這是一種哲學上的偏見）中，也往往認為抽象的概念，好比某個方程式、模型和理論，因為單純、簡潔，或洞徹有深度，因此可以被和美聯想在一起。但是實驗則是和機器、機件、化學物質、甚至雜亂的空間相混雜，如何能夠符合美的要件呢？作者不愧是一位卓識的科學史與科學哲學家，他不但獨具洞見的要探討「科學實驗」（而不只是抽象的科學理論）之美，他還想要解答兩個隨之衍生而來的問題：一是倘若實驗可以是美的，那麼美對實驗的意義何在？二是如果實驗可以具有美的屬性，那麼這對美又代表什麼意義？在提出這兩個深刻的問題之際，作者其實已經知道了答案。換句話說，作者不但肯定科學實驗之中具備有美的要素，而且他也確信，千百年來科學實驗的進展和結果在逐步修正了人類的宇宙觀之際，也（伴同藝術）同時塑造了人類對於美的新的認知與感受。
在確定了科學實驗具有美的屬性之後，作者進一步具體指出科學實驗之美的三個要素：「深度」、「效能」，及「明確性」。「深度」是指該項科學實驗必須能夠顯示客觀世界的某種深層事物，從而改變我們對身處宇宙的認識；也就是該項實驗的結果大幅度翻新我們的科學知識，從而改變了我們的宇宙觀。「效能」是指該項科學實驗的設計及安排必須非常的巧妙、精密，廣泛融入許多當時科學領域的知識與定律，因此在該實驗完成之後，別人就沒有必要為了得到同一項結果，而必須再另外重新設計一套更有效的實驗。「明確性」是指該項科學實驗所觀測到的結果，必須就是最後的定論，明確、清晰，而不需要再進一步做歸納或推論之後才顯現出來。能夠同時具備以上三個要素的科學實驗，就可以被稱做是一項美的科學實驗。（對於美的理解，現代一般人士的認知與西方的傳統美感存有落差。西方的傳統美感具有很大的知性成分，古希臘人認為美的事物就是指任何具有價值的，堪為典範的事物，包括定律、制度、靈魂和行動等。柏拉圖稱美是可見領域中理念之美的閃現，是真、善事物所具有的光輝。）
那麼，在人類的悠悠科學史長河中，哪些實驗算得上是最美的科學實驗呢？當然這是一個見仁見智的問題，沒有標準答案。不過作者從他對「臨界點」專欄讀者所做的民調中，整理出10個「史上最美的科學實驗」。他把全書分成10章，逐一討論：從公元前的測量地球圓周實驗、16世紀的比薩斜塔自由落體實驗、……17世紀的稜鏡分光實驗、……19世紀的傅科擺地球自轉實驗、……，到20世紀的原子核散射實驗，和單一電子的量子干涉實驗為止。作者認為這樣按照年代順序的安排，可以讓讀者產生一種強烈的感受，體認到科學縱貫近2500年的宏偉歷程。而這種情感力量（令人感到神秘、心生敬畏、引發無比的激情等等），也正是科學實驗所內蘊的美感之一。——作者所選定的十個史上最美的科學實驗，碰巧都是物理學的實驗。
本書另一項特色是，在每一章之後，都緊隨有一篇「插曲」，延伸探討該項科學實驗的內涵（哲學）意義或相關主題。這些插曲不但探討了科學與美學的問題，比較了科學與藝術在本質上的差別，同時也討論了實驗和演示的區別，科學發展過程中的類比與隱喻，以及科學中的知覺等有關自然科學知識的體系，如何建立與逐步演化的議題。另外引伸的主題如「科學為什麼美？」、「牛頓—貝多芬的比較」、「科學會破壞美嗎？」、和「科學之藝術性」諸篇，都是討論有關人文與科學「兩種文明（two cultures）」之嚴肅、有趣，卻又極為不易回答的問題。一個令人莞爾的例子是在「科學會破壞美嗎？」插曲中提到，在牛頓的稜鏡分光實驗之後，直到十八、九世紀，仍然有許多的（歐美）詩人以及作家為此爭論不休，有的人認為牛頓剝奪了彩虹的秘密，「讓彩虹淪為分光色彩，完全破壞了其中的詩趣」，但是也有一些人則認為牛頓開啟了美的新國度。（這讓我們想起了一個費曼的故事：「科學知識，」費曼說，「只會讓一朵花更奧妙，更令人激動、肅然起敬。」）從這些主題的選擇，就可以想見本書的涵蓋面之廣，以及作者的用心之深。本書確實兼備了啟發性、嚴肅性、知識性與趣味性等各種優點，是近年來極為突出的一部科普著作，值得細讀與思考。
做為一本科普書籍，本書饒富趣味性。本書的趣味性在於書中有諸多篇幅，談論到了這些偉大科學家的許多另類（比如藝術）才能，以及他們的各種人性面。這些題材，讀者在字裡行間邂逅之時，會有意想不到的趣味性。如書中談到伽俐略因為具備了扎實的音樂才能，可以精確的計算節拍，因此能夠準確計時，成功的進行了他的斜面加速度實驗。構想出雙狹縫干涉實驗的楊氏，也是最早解讀埃及象形文字的人士之一，他後來還在羅塞塔石碑的解譯工作上扮演了重要的角色。拉塞福在進行α粒子實驗的初期，對於數據的解釋感到茫無頭緒，他以為α粒子是在物質（他的實驗裝置裡的金屬薄片）裡面進行了多次的碰撞，才造成了散亂飛射的路徑。因此他以為要解釋這種現象，必須要深入了解機率數學，於是特地去選讀了一門機率概論課程，並且勤奮記筆記、做作業。（在這之前一年，拉塞福已經因為他在元素的蛻變及放射性物質的化學作用方面的突破性研究，榮獲了諾貝爾「化學獎」。）這類人性化（因為人性化所以讀者覺得有趣）的小故事，不勝枚舉，增進了我們對於科學家以及科學進展過程的興味與理解。
閱讀本書的過程中，我們會深刻地體認到，科學其實是蘊涵在整個社會文明緩慢而長久的進展歷程之中，它並不僅是一項客觀、外在知識的累積而已。比如公元前三世紀，希臘學者埃拉托塞尼斯（Eratosthenes）之所以能夠成功測度地球的周長，便是因為他運用了當時的一些地理知識〔亞歷山卓（Alexandria）與色耶尼（Syene）兩座埃及古城在子午線上的位置以及它們之間的距離〕，而那些知識是每年在尼羅河季節氾濫之後，埃及政府派遣皇家調查員去步測大地，重繪地圖的結果。到了中世紀之後，如一六六一年英國「倫敦皇家學會」成立，宗旨是為了「增進自然知識」；一七七二年英國皇家學會委任「萬有引力委員會」，嘗試測量地球密度；十九世紀末期，美國芝加哥大學物理學家邁克生的實驗室嚴格要求要建築牢靠，隔絕效果良好，因此只用實心木頭和厚重石料搭蓋，而沒有鐵材，以免出現磁干擾等等；都可以讓我們徹底了解，近代科學之出現於西方而不出現於東方的明顯道理。本書的英文書名若是直接翻譯為中文，應是《稜鏡與擺錘》。英文原書用這兩項簡單的日常器物命名，書籍就可以暢銷。但是在中譯本，就必須改用一個較具吸引力（或有些聳動性）的名字，以便希望可以吸引讀者。這個舉動正反映了科學以及科學實驗確實還沒有融入我們的社會文化之中。許多時候，我們對於科學的認識與追求，還仍只是停留在「中學為體，西學為用」的外加知識與技術的層次而已。
本書的最大特色並不僅止於討論科學與藝術之美，以及兩種文明之間的錯綜複雜的糾葛關係。本書最大的特色在於作者的慧眼獨具，能夠超越許多科學家與科學史家的觀點，將科學之美勇敢的賦予「實驗」（實驗的構思、實驗的裝置、實驗的過程、實驗的結果，以及實驗學家的各自人格特質等等），而非止於抽象的理論而已。科學奇才費曼是許多人心目中的偶像，很多人認為費曼最有資格來定義科學的課題與意義。我們且引用費曼的話（引自《費曼手札》），做為本書的迴響：「實驗與觀察是判斷某種想法對錯，唯一可拍版定案的方式。科學不是一種我們緊緊追隨的哲學理念，而是事實的展現。……大自然藉實驗結果表示出意見，你會一步步得到實質的進展。」
最後，或許有部分讀者會想問：我們可以不太費力氣的就能夠深切體驗到科學（實驗）的美感嗎？很可惜，答案是不行。科學（實驗）是一種漸進累積的文化歷程，「十年樹木，百年樹人」的道理在這裡完全適用。
2007/04/08
（本文的濃縮版曾刊載於《科學人》2007年5月號。感謝台大物理系高涌泉教授邀請筆者撰寫這篇書評。）