為何學習前人錯誤理論?

在我有份教授的一個科學通識課程中,我們討論世界是由什麼構成的。我們會向學生介紹西方古希臘文明的物質理論,也介紹東方古中國的物質理論。阿里士多德說,世界是由土、水、空氣、火,還有乙太構成的。古中國人則認為,世界的組成成分是金、木、水、火、土。

有學生問我,為什麼我們要學習這些過時的理論。「它們是錯的啊!」是的,它們是錯的。現代科學告訴我們,世界是由不同元素構成的,我們甚至已把所有元素放進一個表內,這是所有人都知道的元素週期表。物理學家又發現,元素是由更細小、更基本的粒子構成的,我們把這個終極理論稱為「標準模型」,所有百多種元素都可以由兩種夸克與一種電子組成。

為什麼還要學習古人的無稽之談?是的,我們不再使用那些天馬行空、毫無根據的概念很多很多年了(這是錯的,事實上有很多人還是相信這些東西,並樂意把自己的命運押在這些迷信之上,不過這是題外話)。不過,我認為雖則我們已不再使用這些概念,但學習這些古人的理論仍有它的意義。

放眼世界,各地都有自己傳統的文化,有著各自不同的神話。當然這些都只是古人虛構出來,為了安撫心靈,避免那種對於無知的恐懼。他們不知道是什麼引起雷電、不知道是什麼造成四季更替、不知道是什麼令太陽東升西落。他們於是創造出各種神話,當中包括上述那些金木水火土理論。人類希望從「理解」世界中獲得安全感。當然,這些「理解」徒勞無功,因為根本沒有證據支持,也經不起邏輯推演。

現代科學和神話傳說當然有很大分別。不止於一個「正確」另一個「錯誤」,而在於神話之中,所有問題都已經有了答案;科學之中,解開一個問題只會引起更多的問題。神話之中,追求知識進步的動力就在引入「超越自然的力量」後消失了,理論不會再有進步,end of story。科學探索卻永遠不會有完結的一日。

之不過,我認為這些「錯誤理論」都有個共通點,而且與現代科學的宗旨不謀而合:以盡可能少的定律解釋複雜的物質世界。我們不能夠從那些過時的理論學到什麼,它們甚至連邏輯推理都欠奉;但我們能夠學習到的是,人類那種對理解世界近乎執著的求知慾。這慾望甚至使我們能夠對不合理、不邏輯的地方視而不見,而使這些過時的概念能夠流傳幾千年。這不是很值得我們深思的嗎?

科學通識課程,最重要的並非傳播硬知識,而是普及科學的思考模式。愛因斯坦曾對記者的提問坦承不知道,說「這資訊在書中就可以找到,並不存在於我的腦海之中。」(記者問他音速為多少)。他也曾指出過,「大學教育的目的不是學習很多知識,而是學習如何思考。」

我亦很高興,同學思考為何我們要教導這些東西,已經踏出科學思考的第一步了。

封面圖片:16世紀拉斐爾所畫《雅典學院》。

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「你怎麼知道?」

【更新:東森新聞沒有更改錯誤,反而已刪除該貼文,非常不負責任。】

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來自 Hung Tze 讀者的截圖。

台灣東森新聞轉載了一段影片,片段中是一個風扇加兩塊磁石,風扇在動。有讀者指出,兩塊磁石這樣放根本不可能發電,然後東森新聞專頁編輯就回:「你怎麼知道?」

我暫且不談台灣的新聞媒體的科學素養(香港也不遑多讓)、不談記者的報導質素(我甚至不清楚到底臉書編輯算不算記者)、也不多談(下面還是會說一說)永動機為什麼不可能。我要討論的是,那句:「你怎麼知道?」

先來物理知識。風扇其實就是摩打,如果拆開來看就會發現是個繞著磁石的金屬線圈。電流通過,線圈就會轉動,再在前面加裝幾塊扇葉,就成了風扇。提供電流予風扇的,可以是電池(俗稱乾電,即直流電),也可以是來自牆身的那種電(俗稱濕電,即交流電)。使用直流電和交流電的風扇,線圈構造必須有分別,要不然就必須加裝轉換器把交流電轉成直流電,不過這樣做會浪費掉一部分能源。

依據影片,拍攝者聲稱是那兩條電線加上兩塊磁石就令風扇轉動。這令人聯想起電磁感生定律。電磁感生是法拉第發現的效應,因此也稱為法拉第定律。簡單地說,可以用(出自香港高登討論區)那句潮句總結:磁通量改變。換句話說,如果電線上的磁場有所改變,電線裡就會產生電流。而要令磁場有所改變,要不是移動電線,就是移動磁石(第三種方法:也可改變磁場強度)。

問題是這種移動必須是持續的。影片中,當電線移動至磁石中間,就沒有再移動了。根據法拉第定律,磁通量維持不變,電流歸零。這就說明如果那電線和磁石是風扇電力的唯一來源,風扇理應停止轉動,故此影片造假。另一個可能性是,那電線和磁石並非風扇電力的唯一來源,不過這就等於說影片根本就是假的。

這就是為什麼有讀者指出影片不可能是真的。這在香港、歐美等地都是高中程度的物理學,我不清楚台灣的教育,不過也應相差不遠。東森新聞專頁編輯的物理程度,我也不去猜想,畢竟我自己也有在經營專頁。問題是,東森編輯回應的那句:「你怎麼知道?」

我相信,如果其他讀者問:「你怎麼知道?」,反應會完全不同。沒有讀過法拉第定律的人問這問題,證明他有心學習,勤奮上進,我相信其他人也會很樂意回答這個物理問題。

可是,東森編輯本人正是貼出影片的人。除非他是以發問方式請求協助(他不是),他有責任在貼出影片前了解其內容。如果他沒有相關物理背景,他應該首先諮詢物理學家或物理老師,理解背後牽涉的物理原理後,才貼出報導。不過,如果他有理解過上述物理原理,他就應該知道影片是造假的,作為新聞從業員他就不應該貼出來。可是,他最終選擇了不知不解地貼出來,再嗆指出錯誤的讀者:「你怎麼知道?」

自古希臘時代,科學家用理性邏輯去理解世界,已經兩千五百年了。只是法拉第定律也有兩百年歷史了,即使沒有相關背景知識,隨手抓個理科學生問一問,亦應該相當可能得到解答。況且這是個知識垂手可得的年代,即使維基百科不能當做資料來源,其上面寫的簡單科學質素還是可以的。可惜的是,東森偏偏選擇了不求甚解,為求呃like,再嗆讀者:「你怎麼知道?」

對於東森這個「你怎麼知道?」,以上就是作為簡淺程度的回答。至於比較深刻的回答就是熱力學第一、二定律的應用。根據這兩條定律,任何機械運作時皆會生熱,「熱」是物理學裡專有名詞,指不可被完全重用的能量。使用簡單數學就可以證明,熱力學定律告訴我們,即使在沒有摩擦力或空氣阻力的情況下,任何機器的效率都有個小於100%的上限。換句話說,永動機永遠不可能在我們的宇宙中存在。再簡單一點說,像影片中那樣,完全自給自足的風扇系統,是不可能存在的。

不懂,就要發問,無論我們身份是什麼。即是如我擁有物理學博士學位、身為大學講師,我在物理學、科學上也有非常多不懂的地方。而當我在專頁上發言時,我不會討論一些我自己不明白的東西;有時候,我不小心寫錯東西,有讀者指出問題,我也會立刻修改。這是作為學者的責任。在某些我不在行的領域,我的讀者可能才是專家。

令我百思不解的是,東森作為新聞從業員,為什麼會認為他們的讀者都跟自己一樣是理科盲?我假設新聞界的入行條件並非理科,而是傳播學系之類文科專科吧?東森這次嗆人「你怎麼知道?」就有如我這個文學盲亂貼詩詞,說《靜夜思》是周杰倫寫的,然後有讀者指出「這不可能」之後嗆他們:「你怎麼知道?」

不知道,從來不是問題。發問是進步的來源。我敢保證,學者說得最多的一句話就是「我不知道」。東森新聞,你怎麼知道,你的讀者不比你有知識?

封面圖片:The Big Bang Theory

機遇號的自白

【立場新聞編按:美國太空總署在 2004 年送抵火星探測器機遇號在 2018 年遭受沙塵暴吹襲,之後至今都未能執行地球傳至的指示。經多番測試,NASA 最終在香港時間情人節宣告「死亡」,機遇號在火星的任務正式結束。期間 NASA 亦曾嘗試傳送文中提及的歌曲至機遇號。】

Wake me up before you go-go
Don’t leave me hanging on like an yo-yo
Wake me up…

我知道這是一個夢。人類朋友,您好,我是機遇號。15年半前,我與我的雙胞胎精神號分別乘搭火箭從地球升空。精神號比我早三個星期出發,也早三個星期降落在火星上。這是每年半一度的升空時機,因為地球和火星運行至最接近的距離。

在地球上空與火箭分離後,我在太空中航行了半年,終於在地球時間2004年1月25號到達火星,那時候精神號早已降落了。我還記得那緊張刺激的降落過程。在5千5百萬公里之外,地球上的人類科學家不斷為我打氣。當時,我依靠著4分鐘前從他們那裡接收到的訊息,獨自穩定機身,慢慢降落在這個紅色行星之上。

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Credit: NASA

精神號和我降落的地點都不同。為了盡可能探索這個星球,我們分別降落在火星的東西半球。我們都配備了很多科學儀器,包括相機、光譜儀、放射性探測器、顯微鏡、礦物探測器等等。我們都有六個車輪,能夠在火星地表上行走。我們的能源都來自鋰充電池,不過由於火星上並沒有充電站,我們必須帶著一塊很大的太陽能板走來走去,利用太陽光充電。或許看起來有些笨重吧?我卻覺得自己有點像美國隊長呢!

雖然我不是生物,但我覺得充滿生命的地球很有趣,所以我的首要任務也是在火星上尋找生命。我用機械手臂四處挖掘,希望找到住在泥土中的生命。可惜,至今我仍未找到任何生命的證據。

不過,在火星上四處闖蕩的過程裏,我發現了很多有趣的東西。例如我發現了很多很細小的球狀沙石。我為這些砂粒拍了很多照片,並把儀器分析的結果傳回地球,送到我的人類科學家朋友那裡。他們後來告訴我,這些砂粒小球很可能來自液態水的沖刷,這代表火星很久以前可能有液態水存在,甚至有個和地球差不多漂亮的海洋呢!

我也找到了很多硫酸鹽,不知道會否是遠古火星海洋遺留下來的呢?不過,也有一些科學家認為這些鹽份可能來自於遠古火山活動。我覺得科學研究真的很有趣,尤其是在這個從未有人類踏足過的行星之中做實驗,我的每個研究結果都是一項新發現!

一天,當我在紅色的土壤上如常漫步時,我發現了一些奇怪的東西。我用相機和光譜儀細看之下,發現了一些埋在石頭之中的管狀結構。管道裏面有很多鈣質,人類科學家後來告訴我說,這是液態水曾經流動過的有力證據。可惜的是,我的科學儀器能力有限,並不能詳細分析這類的土壤,看看有沒有遠古生命遺留下來的殘骸。甚至,泥土中會否真有火星生命存在,只不過我未能察覺到呢?

火星其實是個很乾燥的行星。火星之所以是紅色的,是由於土壤中有很豐富的氧化鐵,即是俗稱的生銹哦!火星的大氣層非常稀薄,而且大部份都是二氧化碳。這對人類來說致命的環境,對我來說卻完全不是問題。

最大的問題是火星經常發生沙塵暴,遮蓋陽光。每當預測到沙塵暴即將來臨,我必須暫停運作,睡個午覺,等待沙塵暴完結。因為我的能源來自太陽能,在這段期間我不能夠充電,只可以靠休眠來節省能源。

精神號和我的任務本來只有90天,我們卻都超額完成了,這讓我非常自豪。過去15年間,我總共走了45公里有多的路程,打破了人類製造的探測車行走的距離紀錄。不幸地,精神號在2009年不慎陷入了一個沙坑,走不出來,結果用盡了他的能源。我比較幸運,直到2018年,我仍然行走自如。

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Credit: NASA

去年八月份,我如常進入休眠狀態,等待一場沙塵暴過去。這是場非常大的沙塵暴。然而,我發現我的電池能源下跌得很快。睡覺前,我的人類科學家朋友向我保證,他們一定會叫我起身的。

I close my eyes only for a moment, and the moment’s gone
All my dreams pass before my eyes, a curiosity…

人類朋友,這次我知道我醒不來了。我能夠明白,這是我僅餘的意識。在夢中,我聽到了人類送給我的歌曲,多謝你們。我是電腦,所以對於你們來說的幾微秒,已足夠我聽完整首歌。

這是我長眠之前的最後幾秒鐘。我用最後的能量把微弱訊息向地球發送,不知道你們會否接收得到呢?

Can you hear me, Major Tom?
Can you hear me, Major Tom?
Can you….

晚安,我的人類朋友。不要傷心,我相信未來終有一天,踏上火星的人類會把我再次喚醒。

Planet Earth is blue
And there’s nothing I can do.

封面圖片:NASA

延伸閱讀:NASA機遇號任務完結新聞稿