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光的本質：一段充滿禪意的史話
在所有的宗門教派中，最講究境界的非禪宗莫屬。昔日某禪師有言：「老衲三十年前看山是山，看水是水；後來看山不是山，看水不是水；如今看山又是山，看水又是水。」短短數十字，便將境界的「層次觀」發揮得淋漓盡致，並且一語道破反璞歸真的真義。這種螺旋式的「向上提昇」，乃是建立知識體系的一種典型過程，因此即使是與宗教格格不入的物理學，也難免在發展過程中出現類似的模式。
最標準的一個例子，便是數百年來物理學家對「光」的認識與詮釋。即使像我這樣的無神論者，也不禁對其中的雷同深深著迷。
話說早在古希臘時代，便有哲學家認真探討過光的本質，不過他們的結論只能算是哲學與科學的混血，不能視為純粹的科學理論。阿拉伯文明固然也留下一些光學研究的斷簡殘篇，卻沒有觸及本質方面的問題。一直要等到文藝復興之後，惠更斯(Christiaan Huygens, 1629-1695)於十七世紀末正式提出「波動說」，主張光線是一種特殊的波動，「光波」這個概念才算是真正出現。
與此同時，大物理學家牛頓(Isaac Newton,1642-1727)做了許多光學實驗，得到的結果卻使他傾向「粒子說」──認為光線是由許多會發光的小顆粒所組成。其後將近兩百年的時間，「粒子說」雖然不乏支持者，卻不斷遭到「波動說」一波波實驗證據的圍剿，而逐漸有式微的趨勢。
一八六四年，馬克士威(James Clark Maxwell,1831-1879)這位與牛頓齊名的物理大師發表電磁波理論。這個理論有個重要的副產品，那就是將光波明確解釋成高頻電磁波，可算是「波動說」的更新版本。牛頓的「粒子說」至此受到致命的一擊，眼看就要淪於萬劫不復之境。
不料正當「波動說」門徒清理戰場之際，卻發現電磁波理論並非萬靈丹。不知道為什麼，電磁波理論怎麼樣也解釋不通「光電效應」這類的物理現象。這是十九世紀末的一大懸案，卻給二十世紀物理學帶來嶄新的契機。一九○五年，愛因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)雖然忙著發明狹義相對論，又忙著撰寫與相對論毫無關係的博士論文，卻仍然有時間提出「光的量子假說」──根據剛剛出現的量子理論，推測光的基本單位是有能量卻沒質量的「光子」。
「光子說」是「粒子說」的一次絕地反攻，也可說是二十世紀的「新粒子說」。物理學家從此相信：至少在某些物理現象中，我們不該將光視為電磁波，而應該視為眾多光子的集合體。換句話說，物理學家從此以兩手策略來研究光……
任何人回顧這段歷史，必定都會產生一種反反覆覆的印象，覺得物理學家始終在波動與粒子之間搖擺不定，從「看光是波」到「看光不是波」到「看光又是波」最後再到「看光又不是波」。局外人或許會說禪意十足，但是對物理學家而言，這種反覆絕非什麼光彩的事。
直到一九二八年，量子物理開山祖師之一的波耳(Niels Bohr,1885-1962)提出「互補原理」，才終於圓滿調解波動說與粒子說各佔山頭、互不相讓的局面。
若說上述歷史頗具禪意，那麼「互補原理」更是正宗的禪宗心法。「互補原理」的精義，可囊括於一句短短口訣之中：「光既是波動，又是粒子；既不是波動，又不是粒子。」寫到這裡，實在忍不住要抄兩句《金剛經》：「所謂佛法者，即非佛法，是名佛法。」「佛說般若波羅蜜，即非般若波羅蜜，是名般若波羅蜜。」
其實「互補原理」並非什麼普渡眾生的佛法，其目的只是要調解波動與粒子之爭。在波耳看來，波動性與粒子性都只是光的部分本質，因此波動說與粒子說其實都是以偏概全。一旦我們接受這個原理，許多問題便能迎刃而解。然而困難在於這個說法非常違背直覺，因為在日常經驗中，一向隱含著波動與粒子誓不兩立的假設。
事實上，在已有百年歷史的量子物理中，任何物理實體一律既是波動又是粒子，光的本質只是其中一個特例。不過正是由於這個概念違背直覺，至今量子物理在一般人眼中仍是天方夜譚。像這種已成定論的科學理論，假使在日常經驗中找不到蛛絲馬跡，外人勢必永遠無法接受。好在無論多麼深奧的理論，最基本的概念總是最簡單不過，正是由於簡單過了頭，才使得人人視而不見。
如何用最生活化的方式來理解「互補原理」呢？讓我們來研究下面幾個命題。
命題一：你的正面是你，背面也是你(這是理所當然)；你的正面不是你，背面也不是你(因為正面與背面都只是你的一部分，無法完整代表你這個人)。
命題二：倘若我看得到你的正面，就看不到你的背面；看得到你的背面，就看不到你的正面。
命題三：你的正面和背面是你的「一體兩面」。
命題四：我們可以做如下類比：
光<====>人；波動<====>正面；粒子<====>背面
命題五：倘若我觀察到光的波動性，就觀察不到光的粒子性；觀察到光的粒子性，就觀察不到光的波動性。
命題六：波動和粒子是光的「一體兩面」。
命題七：物理學家在研究光的本質時，無論是觀察到波動性或粒子性，都只是觀察到部分真相而已，就好像瞎子摸象一樣。
在量子物理出現之前，連物理學家都深信波動與粒子涇渭分明，一個物理實體若是波動就不是粒子，若是粒子就不是波動。可是藉由探索光的本質，物理學家終於瞭解任何波動都具有粒子性，任何粒子也都具有波動性。這就是量子物理的兩大基石之一「波粒二象性」：自然界沒有單獨存在的波動，也沒有單獨存在的粒子；波動與粒子總是成對出現，不過我們一次只能觀察到其中一面。例如而言，電子在一般情況下只能顯現粒子性，可是根據「波粒二象性」，電子一定也具有波動性，而這正是電子顯微鏡的基本原理。
利用剛才的正面背面那個例子，「波粒二象性」可解釋為：當你面對某人的時候，雖然你只能看到他的正面，可是你會確信他一定有後腦勺；反之，倘若看到某人的後腦勺，你也會確信此人一定有一張臉孔(除非電視靈異節目令你走火入魔)。
由於「波粒二象性」已有許多堅實證據，如今物理家一律堅信自然界最基本的實體不是波動也不是粒子，而是一種名為「波粒」的混合體。換句話說，波動或粒子都只是表相，而並非實相。在此「實相」並非佛學名詞，而是物理學名詞reality最貼切的翻譯。然而這一點，又和《金剛經》的「凡所有相，皆是虛妄，若見諸相非相，即見如來。」不謀而合。看來就連千變萬化猶勝孫悟空的光，也一樣逃不出如來佛的掌心！
後記：撰寫這篇導讀的時候，「針孔」兩字成了台灣媒體最熱門的字眼。撇開八卦不談，其實「針孔成像」本身是個很有教育性的光學現象，而世上最早記載這個現象的文獻，是大約兩千四百年前墨子所寫的《墨經》。
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