甚麼是物理?

曾幾可時,還是 (或現在尚是) 小孩子充滿好奇心的你/妳,有沒有思考過為何天空是藍色,宇宙有沒有盡頭,時間有沒有開始和終結,時空旅行可不可行?我們身為人類,自誇萬物之靈,甚至自以爲我們是獨特,「萬中無一」的,但究竟我們對自身身處的世界,宇宙又有多少了解呢?

(Credit: www.mathfunny.com )

面對這些問題,為了尋找答案,了解自然世界萬物的運作,人類創立了科學,而芸芸眾科學學科中歷史最悠久的必然要數物理學了。物理學的英文名稱physics由拉丁文physica演變而來physica一詞源自古希臘,意指「自然」,後引申為自然世界的一切真理(但不包括人為事物,因為人類是「自以為是」,喜歡與自然作對,不按邏輯行動的生物,好像是[說笑而已])。中文「物理」一詞則可追溯至戰國時代佚書《鹖冠子·王鈇篇》(好像是),原意指一切事物的真理。隨著後來17世紀科學革命,物理學開始與自然哲學分家,成為獨立的學術領域,現在物理一詞則泛指這門研究宇宙一切物質,能量的本質與性質,及它們間相互作用的自然科學。物理學的研究涉及一切自然世界、宇宙的(根本、客觀的)真理,範疇由下至工程學,氣象學,觀星,上至宇宙學,物質最細最根本的結構,組成成份,世界的起源等等。物理學可謂是世界上最古老的學科之一,亦是自然科學中最基礎,最根本的學科,而且應用廣泛,深深影響著其他學科與人類社會文明,說它是「科學之母」也不為過。

現在隨處可見的平板電視、手提電話、電腦,我們生活上習以為常,甚至賴以為生的互聯網,全球定位系統(GPS)等等,它們的出現也是歸功於物理學的研究與一眾物理學家們的努力喔!(沒錯,互聯網的誕生也是因為CERN的物理學家,雖然只是間接原因啦![2])因此,物理,它不應該如中文同音異字「勿理」般,不應只是中學公開考試用於測試,分辨學生能力,為學生分等級的工具,它不僅與我們的生活息息相關,推動著人類文明的進步,更是我們理解世界運作及如何與大自然溝通共處最有效的工具。

雖然物理的確能帶給我們很多實質的好處,推動社會和科技進步,不過小弟暢談物理,希望大家認識物理最重要的原因當然是因爲它有趣啦!正如著名物理學家費曼Richard Feynman所言:「物理學就如同性愛一樣,儘管它們可以帶來一些實際的成果,但那並不是我們喜歡做它們的原因。」(’Physics is like sex: sure, it may give some practical results, but that’s not why we do it .’)

物理學等於數學?

(日劇《神探伽利略》片尾曲劇照)

本章開初小弟誇口直言物理學是「科學之母」,或許你會問「那數學呢?物理學不是涉及很多令(不少)人頭痛,眼花撩亂的數學符號及公式嗎?數學不是更重要及更根本嗎?」沒錯,物理學的確包含,並且必然避免不了有很多數學在其中,但正確來說物理學不是數學,數學亦不是科學,雖然兩者關係是非常的密切。數學其實是文科,現在以及歷史上亦然,不少著名頂尖大學好像劍橋大學等,數學系某程度上是被算進文學院的,從數學系畢業的叫文學士(B.A., bachelor of arts),而不是叫理學學士(B.Sc, bachelor of science)。數學其實正確來說是一種語文,數字與運算符號如字母,重點不是算術或運算;它甚至算得上是一門藝術,一套又一套的理論就仿如畫家賞心悅目的畫作,音樂家扣人心弦的樂章,而且真正的數學家大部份都是不被重視,生活拮据的…(雖然這種「另類」的美並不是人人都能領會得到,即使如小弟這個偽.數學家也不能完全領會,只懂嘖嘖稱奇,好像是)。

不過這種另類,客觀著重邏輯的語文,正正就是用來了解自然世界,宇宙最有效的工具,所以物理學當然避免不了涉及很多數學理論及公式。物理學雖然也很著重理論嚴謹性,但它更著重的是探求現實世界的真相,理論是否能準確描述並預測自然世界的事物。即使理論,公式是如何的美觀,簡約,但如果它們不能用於描述自然世界,與現實連繫起來,物理學家對它們也大多是不屑一顧。相反,真正的數學是不會理會現實世界是怎樣,理論是否有應用,能否用於描述現實世界。數學理論合不合乎邏輯(但不包括「中國邏輯」),「美」與否才是重點。

(credit: xkcd)

數學家其實某程度上是「神」,他們做的是先設定及寫下一些類似「定律」與「規則」,叫公理 (axioms)的東西,然後研究在這些規則框架下的一切可能性、現象及定理。就有如「中二病」上身,如《死亡筆記》的夜神月般「自以為」高高在上的造物者般,設定心目中「理想」世界背後的規則,然後根據這些規則「玩弄」他們世界裡的一切東西。

(http://slideplayer.com/slide/10140006/)

雖然數學不是科學,但它卻絕對是所有科學都夢昧以求想「追到手」的男/女神喔!畢竟最有效描述及預測(自然)世界運作的語言始終是數學。至於何解我們身處的世界那麼喜歡數學就沒人知啦!能貫徹了解物理學及數學真締的人其實少之又少,著名弦論物理學家愛德華.維藤 Edward Witten是公認的少數。真正明白物理與數學本質的人才不會說出「數學是科學」,「物理是數學」這些說話。(PS: 但這並不是指數學對科學不重要,學物理,科學可以忽視數學。小弟嘅拙作裡很少數學公式只是因為小弟目的主要在於引起大家的興趣,包括那些沒接觸過物理,深造過數學的人。科普文從來也不是學知識的捷徑,想真真正正地學與深入認識物理最好還是去上課或看教科書吧!)要簡單明瞭兩者的分別,你只要去圖書館或網上找找一本物理學及數學的大學教科書或研究論文看一看便一目了然了。

有興趣想了解多啲物理學家同數學家點睇物理同數學嘅分別可以睇吓下面嘅短片(英文)

最後送首神探伽利略(同數學有關嘅,好像是)插曲作結

今次講住咁多先,下次有機會再講。

引申延讀:

[1]《Is Mathematics a science?》http://euclid.trentu.ca/math/sb/misc/mathsci.html

[2] https://home.cern/topics/birth-web

原文:https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2017/11/04/%E7%89%A9%E7%90%86%E4%BF%82%E4%B9%9C%EF%BC%9F%E5%8F%AF%E4%BB%A5%E7%95%B6%E9%A3%AF%E9%A3%9F%EF%BC%9F%EF%BC%88what-is-physics/

Godfrey Leung

生於香港,有幸在劍橋待過一個寒暑,閒時研究物理/宇宙學,憂心香港未來的「業餘足球員」,曾經夢想成為另一個湯川教授。沒有親身見過喬布斯,但至少與霍金有過一面之緣。現實:英國劍橋大學數學系碩士、英國諾定咸大學物理系博士,曾為南韓APCTP博士後研究員,主修宇宙學。Blog: www.godfreyleungcosmo.wordpress.com