像物理学家一样思考

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学生做实验的智力内涵……也就是开创新领域的 创意和能力……我们教得不够深入……我个人的看法 是这种事你要自己来。你之所以做实验是因为你的哲 学使你想要知道答案。生命太短，不能因为别人说一 件事很重要就去做。这样也太辛苦了。你必须自己去 感觉事情……(注三) 不幸的是，大部分的物理学家都不似拉比。事实 上，大多数物理学家一辈子都在做别人说是很重要的 事。这就是拉比的意思。 这种情况使我们都产生一种误解。对大部分人而 言，他们口中的“科学家”事实上是“技师”。技师 是*过高度训练的人，他的职业是应用已知的技术和 原理，他处理的是已知的事物。科学家则是追寻自然 界真实性质的人，他处理的是未知的事物。 简而言之，科学家是发现，而技师则是应用。然 而，科学家到底是发现事物还是“创造”事物，事实 上已经不再那么清楚。有很多人认为“发现”事实上 就是一种创造。如果是这样的话，那么科学家、诗人 、画家、作家就不是那么截然有别了。事实上，科学 家、诗人、画家、作家可能都是一个族类。这个族类 天生有一种才能，能够将我们视为平常的事物用一种 新的方式提出，进而打破了我们的划地自限。凡是特 别表现了这种才能的人，我们就叫他天才。 大部分的“科学家”其实只是技师。这是事实。 根本上新的事物他们没有兴趣。他们的视野比较狭窄 。他们的精力都用在将已知事物应用出来。他们往往 把鼻子埋在一棵树的树皮上，所以很难跟他们讨论树 林。神秘的氢光谱实验就很能说明科学家和技师的不 同。 白光——譬如太阳光——照进三棱镜里面以后， 就会发生一种*美丽的现象，那就是，从棱镜另外一 边出来的，不足白光，而是所有彩虹的颜色：红、橙 、黄、绿、蓝、靛、紫。这是因为白光原本就是由这 些色彩构成的缘故。白光是一种组成物，可是红光就 只含有红光，绿光只含绿光，依此类推。三百年前， 牛顿就在他的名著“光学”(Optiks)里面论及这种现 象。这一种色彩的铺陈叫作白光谱(white li曲t spectrun)。我们若是对白光谱做光谱分析，就会现 出一个完整的光谱。因为，凡是我们的眼睛看得到的 色彩，白光都有(有一些我们看不到的，譬如红外线 、紫外线，白光也有)。 钠光谱 可是，并不是每一次光谱分析都会产生完整的光 谱。譬如，假设我们拿化学元素钠，使它发光，然后 照到棱镜里面。这个时候，我们得到的就只有一部分 的光谱。 假设有一个暗室，里面有一个物体。此时如果我 们看得到这个物体，这个物体就是在发光。譬如说， 如果这个物体看来是红色的，那么它就是在发红光。 光，是由“激动”的物体发出来的。所谓刺激钠，意 思并不是说给它super Bowl①的入场券。刺激钠意思 是为它加一点能量。其中一个方法就是加热。我们将 激动的(白热的)钠放出来的光照到棱镜或分光器里面 ，这时我们得到的就不是白光全部的色彩，而是其中 的一部分。就钠而言，我们得到的是两条细细的黄光 。 我们也可以反过来将白光对着钠气照射，从而产 生钠光谱的反面景象。我们可以从这个反面景象看到 钠气吸收了白光的哪些部分。白光通过钠气，再通过 分光器以后，还是会产生全部彩虹的颜色，只是少了 白热的钠所发出的两条黄光。 这两种方式不论是哪一种，钠光谱的形态都很明 确。可以是在原本完整的光谱上只由黑线构成，也可 以是只由色线构成而没有其他部分。但不论是哪一种 情形，形态永远一样。②这一个形态就是钠元素的指 纹。每一种元素发出(或吸收)的颜色都是一定的。同 理，每一种元素的分光形态也是一定的，永远不变。 氢是*简单的元素。氢“好像”只有两个组成部 分。其一是一个质子，带正电；另一是一个电子，带 负电。我们只能说“好像”；因为从来没有人看过氢 原子。如果有氢原子存在，那么一个针尖上就有几百 万个。氢原子这么小是计算出来的。所谓“氢原子” ，是一种“手表内部”的思维。我们只能说，唯有假 设这种实体存在，才能够圆满地解释我们观察到的一 些现象；如若不然就很难解释，并且无法摒除“魔鬼 做的”这种解释。这种解释就是有人能够“证明”。 (就是因为有这种解释，才促使伽利略、牛顿、笛卡 儿创造了如今成为现代科学的那些学说。) 物理学家一度认为原子是这样构成的：原子的中 心是核子，恰如太阳系的中心是太阳一样。原子的质 量*大部分都在核子，其中包含带正电的粒子(质子) ，以及大小差不多一样但不带电的粒子(中子)c(各种 元素里面只有氢核子没有中子。)好像行星绕*一样 环绕核子的是电子。电子若与核子比较，几乎等于没 有质量。每一个电子都带有负电。电子的数量又与质 子相等，所以正电和负电彼此抵消。因此整个原子是 不带电的。 这个用太阳系来比拟原子的模型是卢瑟福(Emest Rutherford)在1911年创立的。可是这个模型的问题 ，在于电子与原子核的距离事实上比行星和太阳之间 大很多。用卢瑟福的话来说，如果拿原子与原子里面 的粒子(*大部分都在核子上面)相比，那么原子所占 的空间实在太大了，环绕核子的电子相形之下，“好 像大教堂里的苍蝇”。 这一幅熟悉的原子图画我们大部分人都是在学校 里学的，通常还是强迫的。不幸的是这一幅图画已经 过时，所以你忘了算了。当今的物理学家如何设想原 子我们以后再讨论。此地要说的是，这个行星模型如 今虽然已经过时，可是却是因为有这个模型作背景， 我们才解决了一个*难的问题。以下我们就说明这件 事。 氢是*简单的元素，可是氢光谱的光线就有一百 条以上！其他元素当然就*多了。我们若将氢气光照 到分光器里面，我们将得到依一定形态排列的一百多 条色线。①问题在于：“氢原子这么简单的东西，只 有一个质子与一个电子两个组件，为什么竟然产生这 么复杂的光谱？”P9-11