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香港浸會大學物理系
湯雷翰博士

開場白：提及物理學，人們都會從伽利略、笛卡兒和牛頓說起，可那都是幾百年前的事了，除非你是科學方法的發燒友，期望得來某種靈感，不然可真提不起精神…真正讓大家感覺到物理無處不在，那可是二十世紀物理學家們的貢獻。到底發生了什麼事，讓我們聽一聽2000年物理學術周中香港浸會大學師生間的一席對話吧。仔細琢磨的話，或許你能預見下一個科技時代的到來呢…

(伽利略像 - 圖片下載自美國物理學院網站 http://www.aip.org/)

(笛卡兒像 - 圖片下載自美國物理學院網站 http://www.aip.org/)

(牛頓像 - 圖片下載自美國物理學院網站 http://www.aip.org/)

對話內容：

老師，你能列舉出二十世紀中對人類影響最大的三個物理發現嗎？
答：原子能、半導體、激光及其應用。

那麼二十世紀最重要的理論進展又是什麼呢？
答：可以說有兩個，「相對論」和「量子力學」。這兩個理論徹底改變了人類對時間、空間、宏觀和微觀的認知。

要理解這一變革，你可以回顧一下十九世紀末的物理學嗎？
答：十九世紀的物理學可以說是對電的認識和研究。當電燈進入家庭後，人類的生活方式發生了巨大變化。當然，那個時代的物理學也有一些使人不安的地方，比如說電磁波的傳播，以前總以為波是物質的周期性運動，可電磁波的傳播卻不需要介質，難道真空也會向我們招手嗎？ Michelson-Morley的實驗想捉住那隻手，可是失敗了…還有當時無法解釋的太陽光譜……不過總體說來，人們對當時的理論還是比較滿意的，特別是在麥克斯維﹝Maxwell﹞完成了統一電和磁的偉業後。

(麥克斯維像 - 圖片下載自美國物理學院網站 http://www.aip.org/)

那麼是誰打破了這平靜的局面呢？
答：首先是普朗克﹝Planck﹞在1900年引進了光量子的概念來解釋熱輻射光譜，但是新的物理框架真正成形於愛因斯坦在1905年的奠基性的工作，以及對原子的一些有趣的實驗研究……

(普朗克像 - 圖片下載自美國物理學院網站 http://www.aip.org/)

你是說愛因斯坦嗎？我知道《時代》周刊推選他為二十世紀的偉人。他的相對論當然是家喻戶曉……他說的道理真的那麼深刻嗎？如果只是區分和女生聊天與上一堂枯燥的幾何課的差別，他能那麼有名嗎？
答：要了解愛因斯坦，你必須將自己設想成一個100年前在歐洲學物理的年輕學生。﹝更確切地說，應該是一個猶太血統的年輕人，在瑞士的德語區聽數學與物理的演講。﹞他有很多奇怪的想法，但最重要的是他對當時科學爭論的焦點瞭如指掌，以及他那對科學研究鍥而不捨的精神……

(愛因斯坦像 - 圖片下載自美國物理學院網站 http://www.aip.org/)

如果我沒有記錯，緊跟著出現的是原子理論，對吧？
答：是的。當時有些原子模型，很難說哪一個最好，因為每一個都跟這樣那樣的實驗或者經典電磁理論甚至兩者都矛盾。但是很快，波爾﹝Bohr﹞提出了一個可以很清楚地解釋非常有規律的氫原子吸收光譜的模型。這個發現可以與伽利略當年找到的落體位移的一、三、五、七序列相媲美……其驚人之處在於它很簡單，但具有如此準確規律的運動卻又非常不可思議。最終物理學家們不得不找一個新的理論來解釋它，這就出現了自然界沒有單純的粒子也沒有單純的波的說法，換句話說，波即是粒子，粒子也就是波……這種說法是如此讓人迷惑，至今仍有人不願接受它。然而，一個漂亮的數學理論──量子力學──卻從這些玄妙的概念中發展起來。因此，經過二百五十年，物理學家們終於超越了牛頓。量子力學是現代物理學、化學和生物學的基礎。你所能想到的近代所有發明都應該歸功於量子理論，比如半導體、激光、計算機顯示器等。

(波爾像 - 圖片下載自美國物理學院網站 http://www.aip.org/)

您在五分鐘內總結了物理系整個二年級所要學的物理，實際上這一歷程卻用了二十多年的時間。那麼，量子力學出現以後物理學家們又做了些什麼呢？
答：大部分人都在忙著學習這個新的工具並把它應用到現實生活中，這就發展出一門新的科學──「固態物理」。但是也有另一部分人在追求一些更深層次的東西──原子核。原子核變成了物理學家的一個大的、昂貴的、危險的玩具。很快他們發現，像其他東西一樣，核子可以被分解成一系列更小的粒子，這些粒子有些是某種輕原素的原子核，有些則是人們從來沒有見過的粒子。從那時候起，物理學家們開始用這些粒子作砲彈撞擊原子核或者讓它們互相碰撞，結果發現了越來越有趣的性質，並且每一次都為他們帶來了諾貝爾物理學獎！所以，只要借助於一個陳舊的概念和充足的資金，卻可以有很大的成就！

原來是這樣！可是，這些實驗消耗的電量可相當於一個中型城市的總用電量呢。有沒有不需要如此昂貴的設備和大量資金的科學研究呢？
答：當然啦，第二次世界大戰以後，固態物理有了相當大的發展──晶體管的發明，雖然只是一次技術性的創造，卻帶來了一個全新的工業和大量的研究資金。現在我們差不多可以了解並且計算簡單材料﹝例如銅、鋁、鐵和一些合金﹞的所有物理特性，對於一些比較複雜的系統，像高分子聚合物﹝如膠袋﹞，肥皂泡和某種程度上的血細胞的呼吸運動，我們也有很好的理論。多種新型材料的合成變得非常容易，因為我們掌握了原子間鍵的形成原理、電的傳導、光的吸收和發散等理論。有些材料的設計合成甚至可以達到原子的精確度。當然也存在一些不完美的地方，例如，對超導和磁的認識尚未完善。不過總的來說，物理學家們對物質結構的形成和性質有了系統的了解，這相對於100年前來說是一個很大的進步。

(晶體管)

對於未來100年的物理發展您有什麼想法呢？
答：在整個20世紀中，物理學和物理學家在人類探索自然奧秘的科學技術發展中起主導作用。在第二次世界大戰中，傑出的物理學家曾被召集在一起執行原子彈的研製工程。歷史上另一個戲劇性的時刻是費曼﹝Richard Feynman﹞簡單的將一根橡皮圈放在一杯冰水裏，展示它怎麼失去彈性，卻剖開了美國太空穿梭機「探險者號」爆炸之迷。然而，在過去的差不多十年裏，物理學卻好像在彷徨，科技發展潮流也隨著大眾的興趣轉向了軟件工業和生物醫學。因此，至少是現在，物理學失去了主導地位，也許這只是一個重整旗鼓的時期。一些勇敢的物理學者在探索著生物的「氫原子」。當然，生物是關於一些「有生命」並且「可複製」的東西，可這些單詞在物理學的詞典卻不存在。相對於一個單擺的機械運動，生命是非常難預料的，但是只有瘋子才會把它看成一個完全隨機的過程……而有關生命這個課題近來學術界出現了一個新的概念：「複雜動態系統的偶發性性質」，這概念正是生命科學與物理的共同產物。你們可能越聽越糊塗了吧。總而言之，新事物將從舊的事物中以一種符合邏輯卻有不可預料的形式出現，生命需要物理，物理也需要一個新的生命！

(費曼像- 圖片下載自美國物理學院網站 http://www.aip.org/)

10. 非常感謝老師！您今天所講得令我覺得作一個物理系的學生非常自豪。我以前不知道物理隨著時間的發展過程，也不知道時代的進步與物理有很大關係……現在看來物理不止有用還很有趣。還有，如果你需要一個助手的話……

~ 結束 ~

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