最漂亮的实验 简宗奇 如果要我回想以前做过印象最深刻的物理实验是什麽，我的 「内视系统」大概会在脑海中扫描出下列的影像—密立根实验中 小油滴停在半空中；微电子学实验课中面包板上数十条电线错综 复杂、此起彼落；光学实验暗室中有乖乖出现在屏幕上的干涉图 样，与一个可以测出光速大小的桌上型黑箱子。此外，还有测知 重力常数的扭摆与电得让人怒发冲冠的静电产生器等。 笔者记得：在不能有丝毫震动的台桌上，精确安置着一大堆 的光学透镜与雷射，可以使原子从活跃的热运动状态，变成所谓 的「光学蜜糖」而裹足不前；还有一簇簇光学纤维与半导体雷射 制造出璀丽的美学线条等等。 凡此种种印象，大概一辈子都不会忘记，每一个实验都对应 着耳熟能详的理论知识，不论是简单或复杂，往往都刻骨铭心， 即使笔者不从事科学研究，这般记忆都会不经意地在笔者阅读与 教学的过程中与思路随缘化合。 理论方程式的简洁特质固然优美，然而所谓的自然之美，不 当是理论方程式所独揽；科技工艺在实用层面上也有物外之趣。 这种与实体操作、建构过程及形态变通相衬的巧与妙，其实自古 至今，都一直在启迪人类开发无限的脑力与智慧。当实验的运作 机制能隐喻新概念的存在，或做为人类接受崭新理论知识的依据 时，笔者相信实验之美就存在了。 着名的《物理世界》杂志在今年春天，曾对读者做过问卷调 查，请读者说出物理学上最美妙的实验是什麽。结果在超过200封 的回函中，「单电子的双狭缝干涉实验」以20票拔得头筹，成为 最具代表性的物理实验。其他在排行榜上前十名的的美哉实验分 别是「伽利略落体实验」、「密立根油滴实验」、「牛顿的棱镜 色散实验」、「杨氏光干涉实验」、「卡文狄西扭摆实验」、 「埃拉托塞尼对地球周长的测知」、「伽利略斜面滚球实验」、 「拉塞福发现原子核」与「福科摆」等。 其实，这当中大部分的实验对念过高中物理的人来说都不陌 生，而电子双狭缝干涉则须要有近代物理或量子力学的底子才容 易通晓，且其实践者也非专属於某位科学家；不过，究其沿革来 说，物理大师费曼可以说是本实验的催生者。此实验是让电子一 个一个地向双狭缝射出去的方式来进行，电子的波粒二象性，能 藉此实验充分表现出来，且经过狭缝的电子数愈多，干涉图形愈 明显。费曼曾表示过：「根据本实验，你可以获致所有学习量子 力学的必要知识」，其重要性可见一斑。 一般理论家所崇尚的「简单就是美」原则，这次很自然也成 为「实验美学」的评监指标之一。凡是能以精简的方式，戏剧性 地呈现概念主体者则深受欢迎，不论这种能经纶大体的实验所具 有的简约特质，是属於操作实体本身，还是概念本身，此类型上 榜者众，前十名中就有好几项，如落体与斜面实验、测知地球周 长与福科摆等皆然。 有些实验受到青睐，则因其不仅具有原创性，而且还同时开 启了恢宏的探索之旅，如探测粒子的云雾室、X光干涉与扫描穿隧 显微镜等发明者是。比较特别的是，在读者回函的选单中也出现 「薛丁格之猫」的想像实验；一向属於不易「实验」的宇宙学与 检验相对论的星光偏移实验，也以其能「决胜於千里之外」之势 上榜。足见读者群心目中的漂亮实验涵盖了不同的特质，展现其 多元取向的监赏力与审美观。 喜欢用方程式去思考的人，适合做理论研究，正如爱因斯坦、 狄拉克与戴森之流，他们可以驱驰抽象数学的动能，将宇宙万象 归化出几道精简优美的方程式，以简洁驾驭繁复，以精微统摄万 物，超凡入圣自不在话下。有人问爱因斯坦说「你的实验室在哪 里？」，只见爱因斯坦指着他拿出的钢笔说「我的实验室就在这 儿！」像这种仰赖纸上工夫就能描述真理的卓越本事，确实让理 论家有充分资格担任自然之美的代言人。 但是，另外有些人却喜欢以具体的事物思考，他们看问题擅 长从具象与形体的面向切入，他们会告诉你：「不信你看看就知 道！」正因为某种将要建构的概念所致，这样的结果就乖乖地呈 现在那里，你不得不信服；复经调适与同化之後，新的思考逻辑 与知识体系乃於焉成形。 所以，如果你不信量子力学，请你看看电子的双狭缝干涉与 空间量子化实验；如果你想考验量子力学，那你就逗一逗「薛丁 格之猫」； 如你不相信电荷是呈现量子化的，请看密立根的油滴 实验。发明核磁共振的诺贝尔物理奖得主布洛克曾信誓旦旦说， 如果弱作用下宇称确实不守恒，他要把它的帽子吃进肚子里。不 过，最後吴健雄等人的实验结果则让他歛收狂语，摘下顶上高帽， 可见实验的威力。 你想想：一个独立的大单摆就可以证明地球在自转，其说服 力有多麽强！如此实体表徵不一样也具有直捣黄龙、一针见血及 四两拨千斤的简洁之势与单纯之美吗？这通常在人眼惊鸿一瞥之 时，就鞭辟入里、直达概念核心，此正是实验的妙处；其所擅场， 往往能改变人类的思考逻辑，重新接受新思想。所以，不独理论 方程式专美！有了这麽一股检验理论与重构思维的帅劲，即使是 运用较为机械化的科技工艺相乘相辅，科学实验一样有铭感人心 的美丽！ 简宗奇：自由撰稿人 -- 曾经沧海难为水 除却巫山不是云 取次花丛懒回顾 半缘修道半缘君 --

※ 发信站: 批踢踢实业坊(ptt.cc) ◆ From: 139.223.28.55