|作者：林志忠

(臺灣陽明交通大學(xué)電子物理系)

本文選自《物理》2025年第10期

01前 言

日前，臺灣《科學(xué)月刊》總編輯曾耀寰邀請我對該刊2025年7月號的文章《社會(huì)科學(xué)是科學(xué)嗎？》撰寫一篇讀者響應(yīng)。我反復(fù)閱讀文章后，卻彷佛陷入困境，覺得迷惘而不知從何回答。作者的專業(yè)背景是應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)，而我的專業(yè)背景是物理學(xué)，或更準(zhǔn)確地說，是低溫物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。諒必是因?yàn)閷I(yè)學(xué)科訓(xùn)練的不同(“人文社會(huì)(科)學(xué)” vs. “自然科學(xué)”)，造成我對文章的難以消化，感覺非常陌生，即便文章中反復(fù)使用“模型”、“科學(xué)方法”與“科學(xué)”等關(guān)鍵詞眼。一言以蔽之，長文中想要辯證和強(qiáng)調(diào)的主要結(jié)論是：社會(huì)學(xué)是一門科學(xué)。套用作者自己的文句，則是“社會(huì)科學(xué)是科學(xué)殆無疑義”，因?yàn)椤吧鐣?huì)科學(xué)是用科學(xué)的方法，研究人類社會(huì)的種種現(xiàn)象?！?/p>

本文標(biāo)題的起頭是“一個(gè)科學(xué)家的觀點(diǎn)”，當(dāng)公眾聽到“科學(xué)家”一詞時(shí)，大多數(shù)人即刻想到的對象應(yīng)是“自然科學(xué)家”，如物理學(xué)家、化學(xué)家、數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家、醫(yī)學(xué)家等，而不是社會(huì)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家或政治學(xué)家等。雖然現(xiàn)在的人文社會(huì)學(xué)科常主動(dòng)或被動(dòng)稱作，如“社會(huì)科學(xué)(social science)”、“政治科學(xué)(political science)”或“圖書館科學(xué)(library science)”等，也無法改變以上印象。這一認(rèn)知，無疑正是造成我難以消化領(lǐng)會(huì)這篇文章及其論點(diǎn)的主因。反過來說，本文的標(biāo)題即使未冗長寫作“一個(gè)自然科學(xué)家的觀點(diǎn)”，也諒必不致引起讀者的任何誤解。

基于這一公眾認(rèn)知或“常識”，讓我們回歸本文的主題：社會(huì)(科)學(xué)到底是不是一門科學(xué)？此外，若是公眾聽到“科學(xué)”一詞時(shí)，他們的直接反應(yīng)只會(huì)想到“自然科學(xué)”，則為何社會(huì)(科)學(xué)及其他一些人文社會(huì)學(xué)科，需要畫蛇添足套上“科學(xué)”結(jié)語詞(外衣)？

2025年正逢“國際量子科學(xué)與技術(shù)年”，因此以下我們概略回顧量子力學(xué)誕生過程中的幾件要事，看看這門重大自然科學(xué)是如何發(fā)展起來的。藉此，也可以了解何謂(自然)科學(xué)？它如何形成，及具備哪些要素？

圖1 在這本精巧的杰作

The Meaning of It All: Thoughts of a Citizen Scientist

里，費(fèi)曼探索游走在科學(xué)與哲學(xué)、科學(xué)與宗教及科學(xué)與社會(huì)等邊緣的問題，書中對“科學(xué)的不確定性”、“價(jià)值的不確定性”和“不確定的年代”有極精辟的見解

另外，建議有興趣的讀者閱讀費(fèi)曼演講集

The Meaning of It All: Thoughts of a Citizen Scientist

(圖1)。在這本科普演講集中，費(fèi)曼對何謂科學(xué)(知識)、科學(xué)的應(yīng)用和科學(xué)方法有很深刻的見解與說明。費(fèi)曼女兒米雪·費(fèi)曼編輯的

The Quotable Feynman

(圖2)中，則收錄了許多費(fèi)曼關(guān)于科學(xué)的本質(zhì)的觀點(diǎn)、警句與雋語。

圖2　在費(fèi)曼女兒米雪·費(fèi)曼編輯的

The Quotable Feynman

中，收錄了許多費(fèi)曼對科學(xué)的本質(zhì)所做深刻思索后的觀點(diǎn)、警句以及雋語

02量子力學(xué)起源的三個(gè)例子

2.1　普朗克引入量子化常數(shù)

量子物理”的概念，即一個(gè)物理量是離散的而非連續(xù)的，公認(rèn)的起源是1900年，普朗克為了解釋高溫固體所輻射出的電磁波(熱和光)的頻率

(f)

分布，而引進(jìn)的一個(gè)“數(shù)學(xué)猜測”。即普朗克為了推導(dǎo)出能與當(dāng)時(shí)測量到的“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”吻合的一組“數(shù)學(xué)曲線”，而把電磁波的能量(

E

)“硬著頭皮”寫成

E=nhf

n

為0或正整數(shù)，

h

為現(xiàn)今稱作普朗克常數(shù)的一個(gè)嶄新物理常數(shù))。在普朗克之前，甚至直到1923年“康普頓效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)完成之前，大多數(shù)物理 學(xué)家完全接受麥克斯韋電磁波理論，深信電磁波的能量只與電磁場的振幅平方(強(qiáng)度)成正比，而與頻率無關(guān)，并且深信能量是一種連續(xù)的物理量，可以為任意(正)值。

在這一個(gè)例子中，當(dāng)普朗克心不甘、情不愿畫出他的一組“數(shù)學(xué)曲線”時(shí)，我們很難想象此刻在他的心里，有何預(yù)想的具體量子“模型”存在？換句話說，普朗克并不是為了描述和解釋他事先建構(gòu)出的某一個(gè)模型的特性，只是遵循邏輯一路推理，進(jìn)而創(chuàng)立了一套革命性的科學(xué)理論。請讀者注意，在以上這兩段文字里，我刻意使用普朗克的“數(shù)學(xué)曲線”一詞，而不說“理論曲線”，正是因?yàn)橄胍獜?qiáng)調(diào)電磁波能量量子化的概念，并不是建立在先有“模型”，然后依據(jù)某一套“科學(xué)方法”，一步一步推導(dǎo)出來的。事實(shí)上，即使在具有理想吸、放熱性質(zhì)的“黑體”解釋里，到底是什么微小粒子(諧振子)在以f的頻率振動(dòng)？它們?nèi)绾握駝?dòng)？一直是一個(gè)很模糊，說不清的“模型”。反之，在《社會(huì)科學(xué)是科學(xué)嗎？》文章里，作者似乎主張社會(huì)(科)學(xué)問題的探索方式是，首先建立一個(gè)清晰的“模型”，接著依循“科學(xué)方法”的步驟展開研究，因此是一門科學(xué)。

2.2　愛因斯坦的固體比熱理論

普朗克在引入電磁波能量量子化并寫出相應(yīng)的“數(shù)學(xué)曲線”之后，雖然成功解釋了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(自然界的真實(shí)物質(zhì)特性)，卻并不被當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家重視，甚至普朗克自己心里也不以為然，深感不安。那時(shí)，在諸多將于未來二三十年內(nèi)陸續(xù)贏得諾貝爾獎(jiǎng)的大科學(xué)家中，唯獨(dú)年輕的愛因斯坦是個(gè)例外。愛因斯坦不但很快地接受了電磁波能量量子化的概念，并運(yùn)用它解釋了現(xiàn)在大家耳熟能詳?shù)摹肮怆娦?yīng)”；更讓人贊佩的是，他隨即又進(jìn)一大步將能量量子化的概念，擴(kuò)充用于解釋固體(絕緣體)比熱隨溫度變化的行為。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)告訴我們，由于“能量均分定理”，固體的摩爾比熱值(

C

V

)必定等于三倍理想氣體常數(shù)(

R

C

V

=3

R

。雖然很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確實(shí)與這一項(xiàng)“杜隆—珀蒂定律”預(yù)測吻合，但當(dāng)時(shí)(19世紀(jì)末，一個(gè)冷卻技術(shù)尚未誕生的年代)已有少許實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度稍低于室溫時(shí)，某些堅(jiān)硬固體的比熱會(huì)往下偏離“杜隆—珀蒂定律”的預(yù)測，使得

C

V

<3

R

天縱英才的年輕愛因斯坦大膽想象，更深刻地意識到，不但電磁波的能量是量子化的，物質(zhì)的“特性”必然也是量子化的！因此，他破天荒假設(shè)固體中的“原子”都在進(jìn)行簡諧運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)能量值(

)是離散的，即以

頻率振動(dòng)的“原子”，其能量值必定為

nhν

，而不能是任意連續(xù)值。愛因斯坦的這一項(xiàng)看似天馬行空的預(yù)測，不僅順利解釋了固體比熱偏離“杜隆—珀蒂定律”值的原因，更成功預(yù)測了當(dāng)溫度趨近絕對零度時(shí)，

C

V

將急劇下降，迅速趨近于零。

在1907年愛因斯坦做出以上固體比熱特性的預(yù)測時(shí)，我們很難想象，愛因斯坦心里能有一個(gè)具體的固體“模型”，從而計(jì)算它被逐漸加熱(冷卻)后，溫度如何逐漸上升(下降)？事實(shí)上，在當(dāng)時(shí)“原子”是否是一個(gè)物理實(shí)體都仍有爭議，也尚無X射線繞射實(shí)驗(yàn)證實(shí)晶體是由“原子”的周期性排列組成的(勞厄的X射線晶體繞射實(shí)驗(yàn)完成于1912年)。所以，愛因斯坦心中應(yīng)不會(huì)事先規(guī)劃出一個(gè)具體的固體“模型”，進(jìn)而抓緊一套“科學(xué)方法”的步驟，依序去探索而得出這一項(xiàng)科學(xué)結(jié)論。

2.3　量子力學(xué)的誕生

1913年，玻爾提出原子中的電子能級量子化概念，即一個(gè)電子只能處在一些特定半徑的軌道上繞著原子核進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于電子角動(dòng)量量子化)；因此，電子的能量也是量子化的，只能有某些離散值。這是繼電磁輻射能量量子化后的量子物理學(xué)的又一重大進(jìn)展，但是除了氫原子(和氦離子He+)的光譜線外，玻爾原子“模型”即使幾經(jīng)修補(bǔ)，仍然無法解釋其他原子和分子的行為，更無助于導(dǎo)引后來量子力學(xué)(矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué))理論的建立。反而，海森伯正是在徹底揚(yáng)棄不可觀測的“電子軌道”與“玻爾半徑”(虛構(gòu))概念的基礎(chǔ)上，建立了矩陣力學(xué)。海森伯神來之筆的出發(fā)點(diǎn)是，著重考量原子吸收或放射出的電磁波的能量和強(qiáng)度，因?yàn)檫@才是實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕y量得到的真實(shí)物理量。很難說1925年的海森伯心中，能夠有何事先建構(gòu)的、明確的原子結(jié)構(gòu)“模型”：原子核之外的電子在哪里？它(們)如何運(yùn)動(dòng)？顯然，即便缺乏一個(gè)具體的原子結(jié)構(gòu)“模型”，也并不妨礙矩陣力學(xué)的建立。

緊隨海森伯(與玻恩及約當(dāng)三人一起)建立矩陣力學(xué)的幾個(gè)月之后，薛定諤也獨(dú)立地提出一套波動(dòng)力學(xué)理論，并很快地證明了波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上的等價(jià)性。物理學(xué)家熟悉微分方程式，因而對波動(dòng)力學(xué)感到親切并相對樂意接受，但是波函數(shù)(

)的真正物理意義，即

* 為

的共軛復(fù)數(shù))代表電子在某一瞬間出現(xiàn)于空間某一處的幾率，卻又構(gòu)成隨后另一段曲折蜿蜒科學(xué)故事的主軸——這一項(xiàng)對波函數(shù)的物理意義的追問、詮釋，與科學(xué)上乃至哲學(xué)上的深曲思辨，可能是導(dǎo)致玻恩遲至1954年才獲頒諾貝爾獎(jiǎng)的主因。因此，與其說薛定諤在寫下波動(dòng)力學(xué)微分方程式之時(shí)，心中存有一個(gè)清晰的原子結(jié)構(gòu)“模型”，不如說他心中明白玻爾的原子模型無法描述物理真實(shí)，因此他必須另辟蹊徑，同時(shí)借助在當(dāng)時(shí)還難免隱晦的德布羅意的電子具有波長的概念，寫下一組“電子波/物質(zhì)波”的運(yùn)動(dòng)方程式。(注：尚未滿24歲的美國物理學(xué)家Carl Eckart，在剛獲得博士學(xué)位不久的1926年春(可能稍早于薛定諤)，即獨(dú)立證明了波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)的等價(jià)性。另外，有科學(xué)史學(xué)家指出，在泡利的波動(dòng)力學(xué)一出現(xiàn)，也隨即證明了它與矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價(jià)性。)

03我們的實(shí)驗(yàn)研究是如何進(jìn)行的？

再以當(dāng)代實(shí)驗(yàn)研究為例，說明自然科學(xué)研究是如何選擇課題和開展的。一般而言，我們對于自身專業(yè)領(lǐng)域的全球當(dāng)前進(jìn)展并不陌生，知道同行實(shí)驗(yàn)室正在研究哪些題目，為何要探索那些課題。雖然大家心中未必有一個(gè)明確或清晰的“模型”要驗(yàn)證，但都約略了解這些課題牽涉到哪些理論概念，屬于哪一分支領(lǐng)域范圍的物理問題。例如，大多數(shù)科學(xué)家接受高溫超導(dǎo)體(如釔鋇銅氧YBa2Cu3O7)必定是由電子與電子之間的集體強(qiáng)相互作用引起的說法，而且從1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體迄今將近40年，兩三代的研究者也一直朝著這一方向投注大量心力。然而，卻很難說他們心中真的有一個(gè)能解答某種材料為何會(huì)產(chǎn)生高溫超導(dǎo)特性的確切“模型”。

另一個(gè)例子是，面對納米科學(xué)與技術(shù)，我們會(huì)很迫切去制作金屬、半導(dǎo)體或超導(dǎo)體納米線，把它們放到極低溫下(液氦溫度或更接近絕對零度時(shí))去測量，看看會(huì)發(fā)生什么，這時(shí)我們心中未必有一個(gè)特定的納米材料的“模型”要驗(yàn)證，但我們心中有一個(gè)堅(jiān)定的信念：當(dāng)溫度降低而接近量子力學(xué)“基態(tài)”時(shí)，在微小尺度的樣品里面，很可能會(huì)發(fā)生有趣的非經(jīng)典或非歐姆定律行為，如相位相干性電子波函數(shù)疊加(干涉)造成的“介觀”量子傳輸現(xiàn)象，及某種龐大數(shù)目微觀粒子涌現(xiàn)的集體凝聚行為。發(fā)現(xiàn)預(yù)想之外的物質(zhì)世界新現(xiàn)象，拓展知識新疆界，正是“自然科學(xué)”研究的重要使命與本色。

04結(jié) 語

我個(gè)人認(rèn)為，絕大多數(shù)的自然科學(xué)家，并不會(huì)事先去熟讀著名科學(xué)史學(xué)家和科學(xué)哲學(xué)家?guī)於鞯摹犊茖W(xué)革命的結(jié)構(gòu)》之后，才開始選擇他的研究課題，接著規(guī)劃訂定理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)測量該如何進(jìn)行。正如李白、杜甫、蘇東坡和曹雪芹，肯定不會(huì)事先鉆研詩詞寫作方法或作文寫作指南之后，才提筆寫下傳世名作，是一樣的道理。

本文并未直接回答“社會(huì)(科)學(xué)是否是一門科學(xué)？”的問題。我的個(gè)人粗淺看法無寧是，一門學(xué)問如果體大思精，底蘊(yùn)具足，則名稱應(yīng)是約定俗成(乃至次要)的。反過來說，我們都生活在技術(shù)掛帥的時(shí)代，因此自然科學(xué)時(shí)常受到工程學(xué)和技術(shù)的擠壓(如物理學(xué)受到材料、半導(dǎo)體和AI擠壓)，而人文社會(huì)又受到理工擠壓，這的確是無可回避。當(dāng)局者需要自強(qiáng)自立，為了個(gè)人志(職)業(yè)及人生，是努力尋求出路的一項(xiàng)重大考驗(yàn)，同時(shí)這也是文明永續(xù)的一件大事。又，社會(huì)上常把“理工”并列，但在學(xué)科本質(zhì)上，“理”與“工”的氣質(zhì)迥異，甚至可以說“理”可能更接近于人文社會(huì)學(xué)科，只是人文社會(huì)學(xué)家也常不自覺地將(自然)科學(xué)家拒之鴻溝之外。

致 謝感謝輔仁大學(xué)物理系吳至原副教授仔細(xì)閱讀初稿及提供修正建議。

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