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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