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科學精神的詮釋與尋找文明的新方向

科學精神的展現在於發現固有典範中的矛盾及謬誤,這些矛盾、謬誤提供了創造嶄新理論基石的力量。二○○二年諾貝爾物理學獎無疑是對這種科學精神做出了最好的詮釋。
 
 
 
二○○二年諾貝爾物理學獎異於往昔,意義非比尋常。一方面為科學精神做出了最好的詮釋,對獲獎三人,美國的雷蒙德‧戴維斯(Raymond Davis, Jr., 1914-)、裡卡爾多‧賈科尼(Riccardo Giacconi, 1931-)及日本的小柴昌俊(Masatoshi Koshiba, 1926-)所做,被譽為「打開了兩扇通往宇宙的窗戶」的貢獻,給予最高的桂冠肯定外;另一方面,因科學研究日趨複雜,科研團隊日趨龐大及國際化,諾貝爾物理學獎漸漸成為衡量獲獎者所屬國的經濟力量、社群整合力量以及對人類文明貢獻的新指標。

人類對周遭的好奇、詠嘆、情感的抒發,造就了璀璨的文明;視野的擴張催化著文明的提升,形體上的局限從未阻止人類超越向上的企圖心。隨著光學望遠鏡的發明,人類的視野終能克服了肉眼的限制,穿越過廣漠無邊的時空,追溯到億萬年前宇宙初開的剎那,尋找自身來源的祕密。

數百年來努力成果的累積,我們終於明白到,至小也就是至大的道理,我們的宇宙竟然是由那些至小粒子間的交互作用,撐開了這廣碩無邊的時空而來。而我們就生活在這至小跟至大的尺度中,夢想著從至小到至大以及反之亦然的法則,期望終有一日明白這森羅萬象的一切。

然而,至小的粒子非尋常的顯微鏡所能辨識,遑論觀察它們的交互作用。同樣,遙遠的星系,即使在威力強大的望遠鏡下,也只是個小小的亮點而已!於是,往小處觀察,人們建造了體積龐大的電子顯微鏡、掃描式穿隧顯微鏡、跨越國界的千兆電子伏特加速器;往大處觀察,人們建造了無線電望遠鏡及由它們組成的陣列。每一種新儀器的提出或建造,代表一個新時代、新數據的來臨,以及新科學典範的產生,諾貝爾獎的桂冠也強化了這些新典範在科學社群中的地位。

早在科學還未出現的遠古,人們就已經知道陽光對生命滋長的重要。這掛在天上的大火球,每天照亮了大地,管領著地上的風、雨、雲、霧,撫育著萬物,未曾有過一天的止息。但人們對於太陽是如何發光的基本問題,卻是要等到一九三八年核子物理發展成熟後才慢慢地了解。

進入十九世紀後,人們便已開始熱烈地討論太陽發光的問題。其中比較有名的想法乃是重力把太陽巨大的物質往內擠壓,使得物質間互相吸引的力量轉換成能量。但計算結果顯示,重力提供的能量頂多只能維持兩千萬年而已,與從化石中得到約五十億年的地球年齡相比,明顯是謬誤太大了。

隨著近代核子物理學的發展,我們知道重原子核的分裂可以釋放出巨大的能量,其後,人們更進一步學會操控原子核的分裂來產生電力。到了一九二○年,人們就已知道由兩個質子、兩個中子及四個電子組成的氦原子的質量,會略少於四個由一個質子和一個電子組成的氫原子。根據愛因斯坦質能互換公式 E = mc2,英國科學家愛丁頓爵士推算出,原來短少了的質量已經轉變成能量釋放出來。雖然質量差異不大,乘上每秒跑三十萬公里的光速,卻是個巨大的能量,也就是人們所稱的核融合能。陽光,這一切生命動力的泉源,到底是來自核融合還是核分裂的過程呢?

要分辨太陽是靠核融合或靠核分裂產生光熱,追根究柢,就得從微中子說起。原來,把四個氫原子核擠壓成一個氦原子核的連串融合反應過程中,是會產生兩個微中子的。為了要釐清問題,戴維斯從一九五○年便開始設計捕捉來自太陽微中子的實驗,沒想到卻從此打開了「微中子天文學」的窗戶。仔細推敲,利用微中子探測宇宙的種種,實在是再自然不過的事。試想,天上千萬繁星如果都輻射微中子,那只要偵察到微中子的行為,不就是等於偵察到這些星星的行為嗎?

經過了十多年的試驗與努力,戴維斯終於在一九六八年成功地捕獲了來自太陽的微中子;人類也第一次肯定了太陽是靠核融合發光的事實。在這個引領風騷的實驗中,戴維斯把主要是由 615 噸的四氯乙烯(C2Cl4)組成的偵察器建在南達科達州地底下一千五百公尺,一個叫 Homestake 的金礦礦坑中,將儀器深埋地底的目的是希望把來自背景的訊號降至最小。

宇宙是個複雜系統,科學演化反映著這複雜系統的特性。複雜系統的特質乃是環環相扣的事件,系統中沒有一個事件可獨立於其他事物之外,一個事件的產生,必定導致其他事件的發生,戴維斯的實驗為這特質做出了最佳的見證。

太陽微中子的發現固然令人雀躍,但數據中卻揭露一個嚴重的危機;原來,戴維斯的實驗只測量到建構在核物理上的太陽模型所推算出來的微中子數的三分之一左右而已,要不是核物理不對,或是太陽模型不對,那就得解釋失去的三分之二的太陽微中子到底跑到哪裡去了!這危機後來卻促成了所謂「太陽微中子問題」與「微中子天文學」的發展及小柴昌俊的神岡微中子實驗。

微中子在一九三○年代是個嶄新,充滿浪漫氣息的名詞,是庖利(Wolfgang Pauli, 1900-1958)為了解決貝他衰變中能量守恆的危機而憑空捏造出來的粒子。沒想到自然界竟然呼應著人類遵循邏輯系統想像出來的軌跡運作,這中間又是否隱藏著更深刻的道理或原因,則有待人們更進一步的深思了!近百年後的今天,當我們回顧有關微中子物理的發展時,一個複雜的挑戰回應的演化脈絡清楚可見,二○○二年諾貝爾獎的頒發祇是進一步凸顯這科學演化的本質而已。

微中子之所以奇怪,又或微中子研究之所以令人興奮,除了在於其浪漫的創造過程外,乃在於其出奇微弱的作用力,弱到直接穿透整個地球都幾乎不會與地球的任何物質起作用。從核融合理論,我們知道宇宙中億萬個發光星體正在不斷地輻射著大量的微中子,還有大量未知的物體都可能是微中子流的來源,這些至小至弱的粒子卻是宇宙中最為活躍的分子,甚至很可能構成了宇宙中大部分看不見的黑暗物質,使宇宙不至崩離太快,讓生命有足夠的時間慢慢演化。

實驗室中捕獲的每一個微中子都可能為我們拈來宇宙的訊息,也正是「微中子天文學」之所以令人興奮期待的地方。事實上,每秒鐘為數超過一千億的微中子粒流正從宇宙的深處,飛越過千百萬光年的時空,穿透過我們的身體後,又繼續其暫時的,又莫可名之的旅程,飛往宇宙的另一個角落。粒流來了又去,永不止息,神祕莫測卻又無礙於我們;想起來,豈能不令人神馳目眩。

自從一九六八年戴維斯令人訝異的太陽微中子報告提出後,光是一九七八年便有超過四百篇論文試圖解決這理論與實驗矛盾的危機,形成了俗稱為「太陽微中子」研究。多年來,眾多研究團隊,包括由中研院領導,偵察器放在金山核電廠的臺灣微中子團隊,無不殫精竭慮,希望在人類探討這宇宙的迷團史上記上一筆,其中最為科學家認同的解釋便是微中子振盪理論。

在太陽核心融合過程中所產生的微中子,飛越過一億五千萬公里的廣漠空間,抵達地球前,微中子就可能已被太陽內核的物質催化而改變了身分,而戴維斯的偵察儀又沒有辨識微中子身分的能力,無法捕捉改變了身分後的微中子,因此乍看之下好像少了很多。其實,微中子數目沒有變少,祇是身分改變了而已。

微中子身分的改變就好像把兩個不同頻率的彈簧耦合在一起,振盪的位能在兩個彈簧間來回反覆振盪一樣,當然要觀察到彈簧的能量交換的先決條件,就得要有兩個不同頻率的彈簧,對微中子來說,即是不同身分的微中子有著不同的質量。

然而描述粒子間作用的標準模型中,微中子卻是沒有質量的,這豈不是又從根本上動搖了標準模型了嗎?成全了戴維斯,卻撼動了標準模型的牆腳,這不就是複雜的科學演化的特質嗎?戴維斯的實驗自從一九六八年運轉後,到一九九四年幾乎沒有停頓過,在一九九八最後的報告中,總共捕獲了 776 個相信是從太陽輻射出來的微中子,進一步確認了「太陽微中子」問題的存在。

微中子振盪終於在一九九八年第一次在小柴昌俊所領導的超級神岡實驗中觀察到,雖然超級神岡的振盪實驗從根本上動搖了只能容許零質量微中子的標準模型,推動異於標準模型的新典範的產生,但這並不是小柴昌俊這次獲獎的原因,當然將來超級神岡實驗獲獎卻是大有可能。

人類的年壽大約只有百年光景,假使有天透過基因技術,我們可以把年壽延長至千年甚至萬年,那到底有沒有違反了什麼自然定律呢?除非那時我們的形體不再依賴物質,否則人類的年壽便受到質子的年齡限制著,試想,如果連質子都在衰變,更何況依賴物質的肉體呢!當然質子的生命期也不能太短,否則我們可能連一年半載都活不到,就不能再嘲笑那些不可語冰的夏蟲了。

原來在一九八○年左右,大家正為質子是否穩定的問題爭論不休,當時最熱門的大一統模型除了預測質子會衰變外,更預測了質子的生命大約是 1032 年,而大部分時間會衰變為 π0 介子及正電子(p → π0 + e+)。為了降低背景訊號,小柴昌俊在日本神岡縣的地下礦坑中設計了所謂的神岡實驗,主要目的在偵察質子衰變出來的正電子所引起的反應,只是想不到這個將要判定人類元壽長短極限的關鍵實驗,卻無意中為我們短促的生命開拓了更深更廣的視野,增添了更多色彩。

實驗的原理其實相當簡單,如果質子壽命真的是長達 1032 年,如果要求一年中至少看到一個質子衰變的訊號,那我們的實驗至少得收集到 1032 個質子。我們知道每個水分子就有兩個氫原子,也就是有兩個自由的質子,因此小柴昌俊就收集了 2,140 噸天下間至純至淨的水做為質子衰變訊號的來源。

要判別衰變訊號,就利用質子大部分時候都衰變成 π0 介子及 e+ 正電子的事實,e+ 又會與水分子中任何一顆電子作用放出一對光子,因此只要在這缸至純至淨的水周圍放置光電倍增管,偵察那光子對,再檢查它們是否在同一時間放出來,便可大致確定是否看到質子衰變了。

這缸體積龐大,又至純至淨的水,如果只能偵察質子衰變是不是太浪費了一點呢?況且萬一質子不衰變,那豈不是又白忙一場了嗎?戴維斯觀察太陽微中子的實驗,觸發了小柴昌俊的靈感「何不利用微中子與水原子核的作用放出 e- 所造成的輻射,偵察微中子呢?」成功的人都有坐言起行的特質,一九八六年小柴昌俊即進行改良神岡實驗。

這個名為「Kamiokande Ⅱ」的實驗除了可以偵察微中子入射引起的輻射光外,還可以決定光源的方向,進而回溯微中子入射方向,以便決定微中子來源的方向。沒想到小柴昌俊這個物盡其用,不要錯失任何機會的想法卻從此打開了「微中子天文學」的大門,也為自己的努力贏得了二○○二年諾貝爾物理學獎的桂冠。

前文提到宇宙中億萬顆星星,每顆都靠核融合發光,都是微中子粒流的來源。如果能偵察到這些微中子,又能決定它們到底是來自哪顆星星,那豈不是除了用望遠鏡外,又多了一個觀察這些星星的方法嗎?以我們有限的歲月是沒法看到悠長太陽的生與死,但天上億萬顆星星卻是生滅不斷,永不止息。星星死亡或誕生的樣子到底是怎樣的呢?這些莊嚴的時刻是否都跟微中子有關呢?一九八七年二月二十三日七點三分五十五秒,這莊嚴的時刻終於來臨了,Kamiokande Ⅱ忽然傳來錄得六個微中子的訊號,這神秘的訊號好像怕小柴昌俊不小心漏掉第一次的機會一樣,隔了 10 秒鐘後又再出現一次。隔天,三月二十四日,這個謎便被揭開了!

原來南半球上空,離開我們十七萬光年的大麥哲倫星雲出現了一顆肉眼可見,後來命名為 SN1987A 的超新星,而這神秘的微中子訊號竟是這個質量大約是我們的太陽 20 倍的星球,在氫燃料耗盡時,軀殼受不了巨大的重力擠壓,瀕臨死亡變成中子星前,爆炸釋放出來的 1058 粒微中子的 12 粒。人類真的是何其有幸,竟然能夠在如此有限的生命時光中,運用智慧突破形體上與生俱來的局限,為這宇宙間至為莊嚴的一刻留下幾許雪泥鴻爪,記在這大宇宙的歷史中!

太陽是與我們如此的息息相關,卻又是如此的暴烈,時速高達百萬英里的太陽風、熊熊燃燒,溫度高達數百萬度的日冕、為期大約 11 年一次的太陽黑子消長,哪一樣不正在影響著我們的天氣、通訊、甚至人類的一些細微的行為。那又是什麼緣故使脆弱的生命得以倖免於其暴烈行為的蹂躪摧殘,而只享受陽光中溫煦的一面呢?除了利用望遠鏡、微中子去偵知這孕育著地上萬物,卻又脾氣暴烈飄忽不定的太陽的變化外,我們是否還有其他有效的辦法呢?

現在我們知道,日冕、太陽風等都是帶電粒子與太陽磁場作用的結果,而帶電粒子加速運動就會輻射電磁波,其中那些肉眼看不見,波長比藍光及紫外光還短的便是X光了!

早在一八九五年,倫琴(Wilhelm C. Roentgen)便發現後來以他名字為量度單位的X光,而短短數年中,X光馬上就被廣泛應用在醫學、冶金、結晶學等研究上,從倫琴、勞厄(Max von Laue)、布萊格(Lawrence Bragg)到西格班(Karl M.G. Siegbahn)這串長長因X光研究而在短短的二十多年中產生的諾貝爾物理學獎名單中,便可見其影響之深、之廣可真是一時無雙。畢竟今日又有誰沒有在健康檢查中照過X光片呢?

然而利用X光偵察太陽活動的研究,卻是等了快半個世紀還是無聲無息,這道理其實也是蠻簡單的。我們都知道照太多X光對身體健康是大大有害的;另一方面,我們也知道太陽暴烈的行為會輻射大量的X光,然而生活在地面上的我們卻依然健康如故,那表示太陽輻射的X光到不了地面,傷害不到我們。原來包裹著地球的大氣層在讓光線通過時,已把X光吸收掉,才讓我們得以健康幸福地生活在藍天白雲之下!大氣層保護了我們,卻同時阻止我們在能力未足前去探索太陽的本來。

要偵察來自宇宙或太陽的X光,就非得跑到太空中不可,但怎樣才能飛到太空裡呢?今天看來是常識的問題,在五十年代可是個國防機密!事情到了一九四九年,當美軍把在二次大戰之後從德國取得的 V2 火箭運到美國海軍研究所時,終於得到一個重大的轉機。哈柏‧費曼(Herbert Friedman)也就是賈科尼的老師,把偵察X光的蓋氏計數器放在 V2 火箭上,終於在一九五一年證實太陽果真暴烈異常地輻射出大量的X射線,為「X光天文學」奠下了良好的開端。二十八歲、年輕、衝勁十足的賈科尼在一九五九年承續了乃師的志業,設計了第一座放在太空火箭上的X光望遠鏡。

賈科尼利用圓錐形的鏡面收集並決定X光來源的方向,在研發過程中,新的概念或方法與完全出人意表的結果,往往是一體兩面的事,在在都會為科學的演化帶來原動力。原來只是用來偵察太陽X光活動的設計,可從未想到可以偵察太陽系以外的X光活動。因為火箭停留在太空的時間實在太短,使人無法收集足夠的訊號。

但一九六八年六月十八日安裝在空烽火箭上的X光儀,居然接收到來自遙遠的天蠍座,後來稱為 Scorpius X-1(其中 X 指X光,1 表示第一個)的X光訊號。如果 Scorpius X-1 不是因為放出比尋常可見光還要強上千百倍的X光,那在空烽火箭停留在太空中的短短時間中,又怎可能錄得來自 Scorpius X-1 的X光訊號呢?

費曼的遠見確定了暴烈太陽的確是在輻射X光,賈科尼的決心無意中把人類的視野帶到宇宙中一個全新的領域中。五十年前我們還以為宇宙中的星星及星雲只是安靜地倘佯在廣漠的空間中,一切事情的進行都只在緩緩慢慢地展開,賈科尼的實驗告訴我們那可真是大錯特錯的想法!

在這裡有比太陽還要暴烈一百億倍的巨蟹星雲X光光源;有直徑只有一、兩公里的中子星卻在掠奪其巨大無比的伴星的物質的激烈行為;有在銀河中的新黑洞,挾著其巨大的重力場吞噬周遭星星的毀滅過程。新數據一下子把靜態的宇宙科學典範,轉移到一個充滿暴烈掠奪論調的新典範中。

X光天文學帶來的驚人成就,開啟了觀察宇宙細密物體如中子星、黑洞等奇異物體的新途徑。隨著人造衛星技術的發展及普及化,賈科尼設計了X光衛星放在太空軌道中進行長期觀測。一九七八年發射後來稱為愛因斯坦衛星能偵察到比 Scorpius X-1 弱上一百萬倍的X光源,那次任務總共找到 842 個X光源。

先驅總是要走在前面的,當一九七六年愛因斯坦衛星還在建造時,賈科尼已同時著手設計在一九九九年升空的 Chandra 衛星(Chandra 是紀念黑洞研究先驅 Subramanyan Chandrasekhar, 1910-1995,1983 年諾貝爾物理學獎得主),目的就是找尋黑洞的蹤影–這個廣義相對論中的必然結果,卻是宇宙中最神祕的物體。Chandra 衛星將會把人類的視野、科學的典範帶到哪裡?就讓我們拭目以待吧!

科學研究日趨精確、複雜、組織龐大的本質是否有時而窮則仍是未可知,但對科學社群及人類社會的衝擊卻是既廣且深。光看一九七六年由賈科尼倡議建造,歷時二十三載,耗資接近十七億美元打造的 Chandra X光衛星;從一九八八年開始策劃,14 年來幾乎動員了世界上所有有關的組織及實驗室,耗資超過三十億美元的人類基因圖譜計畫;又或從一億億萬通過超級神岡偵察儀的微中子粒流中捕捉住其中12粒的驚人數字中,現代科研消耗的時間、物力、財力及人力便可窺見一斑。

耐心的讀者讀到這裡,不知是否已產生今夕何夕的疏離感覺?微中子、中子星、黑洞這一切與我們每天的作息起居又有何關係呢!國家耗費這麼多資源作科研,難道就為了這些看不到,捉不住,與我何干的名詞嗎?筆者因為篇幅及能力所限,不能一一詳細討論現代科研的發展對整個人類文明演化的影響,以及諾貝爾獎在這層次上的意義。且讓我們聚焦在小柴昌俊的神岡實驗獲獎一事對日本做為一個現代國家,躋身於現代強權及主流價值中的意義。

一個像日本這樣擁有二億人口,國民平均收入每年達二萬美元的國家,幾個天才偶然因為出類拔萃的工作而獲獎,並不值得大驚小怪,或者大書特書;況且現代科研苦澀艱難的詞彙,乖離日常經驗的結果,一般社會大眾不單難生共鳴,甚至難免疏離怨懟,這些天才的獲獎與否也祇吹皺了相關社群小圈子的一池春水而已,真是干卿底事。

然而小柴昌俊的獲獎,對日本這個國家在躋身於主流價值的過程中,猶如烙上一道歷史的印記一樣,非比尋常。在中研院的一名同事告訴筆者,在日本一個山野的寺廟中偶遇一位日本僧人的事,兩人溝通的語言只有「微中子」、「神岡」。這不只是日本的一個獎,也是象徵著日本得到了世上其他國族認可其國力、價值的一個獎。這不是單靠一兩個天才,或運氣就能成事的小型實驗。

神岡實驗的獲獎就像韓國足球擠進世界盃四強一樣,是一個舉國上下一心,長期有計畫的培訓、投資的結果,計畫管理的時間尺度不是一年、兩年,而是 10 年、20 年的過程。時程與決心須超越政治和社會的變遷,爭奪的是體育精神規範著的榮譽,而非資源、財富的掠奪,其成就經歷了世界所有國族最嚴格的檢驗及認同。

眾人的事件就是政治的事件,就是社會、制度文明的契機。任何活動涉及的人口越多,影響也就越大越深遠。一個複雜如神岡及超級神岡的實驗,不再是單純的科學社群的活動,而是一個社會的政治事件;它是個關於如何策劃、投資、補助、協調、說服大眾、興建、管理、修正的問題。而且不單要成功,還要比別人快;不單要快,還要比別人精確。

這是一個關於:如何培訓一百多名博士、如何策動他們同心協力邁向目標、如何與工業界互動互榮、如何吸引異國的菁英,甘願窩在神岡的山野中,以速食麵裹腹的跨國計畫。神岡及超級神岡不單為年輕一代提供了一個一展所長及不斷提升精進的舞台,它讓世人覺得這個民族不單富強,更重要的是讓世人覺得這個民族確實值得富強,值得嘉許。或許這才是支持基礎科研,甚至比科研本身更重要而無關乎科研的最根本理由。

人類的文明自冷戰之後,文明與文明間的衝突日益嚴重,捲起的波濤更因牽涉的種族及人口繁多而更形兇險。九一一事件的兇兆正挑戰著人類的未來,或許日趨複雜的科研以其跨越國族文化差異的本質,終能在其龐大的合作傘下,把文化、種族的差異消弭於無形。其中,科研衍生的龐大跨國的制度文明與東方精神文明間的融合、創新,則更是值得我們深思的方向。於此,筆者是樂觀的。

二○○二年諾貝爾物理學獎特別報導
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