破解自然之密與奠基社會革新的定律:《神的方程式》選摘 (2)

2022-05-07 05:10

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前面我們也曾提到,每當科學家解譯出宇宙四種基本作用力當中的一種之時,這不只是披露了自然之密,同時也革新了社會本身。牛頓的定律不只是破解了行星和彗星之密,它們還奠定基礎並醞釀出了力學定律,也就是我們如今用來設計摩天大樓、動力引擎、噴射機、火車、橋梁、潛水艇和火箭的理論模型。舉例來說,1800年時,物理學家運用牛頓定律來解釋熱的本質。在那時候,科學家推測熱是某種散布物質各處的液體。然而更深入探究卻表明,熱其實是運動狀況下的分子,就像纖小鋼珠不斷彼此互撞。牛頓的定律讓我們得以精確計算出,兩顆鋼珠如何互撞並各自彈開。接下來,添上了億兆又億兆的分子,我們就可以算出熱的明確特性。(好比當某艙室內氣體受熱,根據牛頓定律,由於熱會提高該艙室內分子的速度,於是氣體就會膨脹。)

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接著工程師就能使用這些計算結果,製造出完美的蒸汽機。他們可以算出需要多少煤炭,來把水轉換成蒸氣,而這就可以用來推動齒輪、活塞、輪子和槓桿來推動機器。隨著蒸汽機在1800年代問世,一個勞工手頭能夠運用的能量,便竄升到好幾百匹馬力。突然之間,鋼軌把世界各處偏遠地帶連接起來,並大幅提增了商品、知識和人員的流動。

工業革命之前,商品都是由小規模專有行會的熟練工匠創造出來,就連最簡單的家居用品,也得靠他們苦幹創作完成。他們還審慎地守護他們手藝的機密,因此,商品往往很稀少又昂貴。蒸汽機和它所促成的強大機器問世之後,商品就能以原始成本的微小比例打製成形,大大提增了國家集體財富,並提高了我們的生活水平。

當我向前程遠大的工科學生講授牛頓定律之時,我總設法強調,這些定律並不是區區枯燥乏味的方程式,它們改變了現代文明的進程,創造出我們在身邊周遭所見的財富和繁榮。甚至有時候我們還給學生觀看1940年的華盛頓州塔科馬海峽吊橋(Tacoma Narrows Bridge)坍塌慘禍,那次事件經攝製成影片記錄下來。而這起驚人事例便驗證了誤用牛頓定律會發生什麼狀況。

牛頓的定律以天上的物理學和地球上的物理學的統一為根柢,幫忙推動了技術方面的第一次偉大革命。

20220505-《神的方程式》立體書封。(時報出版提供)
《神的方程式》立體書封。(時報出版提供)

*作者為日裔美籍科學家,現為紐約市立大學理論物理學教授,當代物理大師,超弦論奠基者。本文選自作者著作《神的方程式:對萬有理論的追尋》(時報出版)。

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