編者按:本文摘錄自潘宗光教授的《佛法與科學》,內容主要從科學角度解釋了相對論、量子力學與弦理論。方便大家體會一下當代科學發展的趨勢,從科學的角度窺一窺佛教。
潘宗光教授為前香港理工大學校長,現為香港理工大學榮休教授及榮休校長。潘教授早年畢業於香港大學,獲一級榮譽理學士學位及一級榮譽理學士深造學位。其後,亦獲英國倫敦大學哲學博士及高級理學博士學位,並在美國加州理工學院及南加州大學從事博士後研究,於2009年獲香港理工大學頒授榮譽人文博士學位。
● 宇宙的大小
隨著物理,天文及生物學的迅速發展,我們明白到地球以外有極龐大的宇宙,同時亦有細小到用任何儀器都偵察不到的微細物體。最微小的物體是基本粒子,例如電子、夸克(Quark)等,再到原子,單細胞(單細胞的生命體也非常小,一點雨水裡就包含著很多生命),到我們人類,地球,遠離地球有月亮,整個太陽系,跟著是銀河系。銀河系包括很多星體,太陽系只是整個銀河系裡的一小點。整個太空裡又有很多類似銀河系的星系組(Galaxy Group)(大概有1,000億個星系組),最後到了目前可以估計的宇宙邊緣。現在很多科學家都相信我們的宇宙(Universe)不是唯一的宇宙,而是有很多共存的多重宇宙(Multiverse)。
從最微小的電子到遙遠的大太空,若以米(meter)為單位,基本粒子,例如電子的大小是1米的10-18,而宇宙邊緣(離開地球約500億光年)是1米的1026,差距很大很大。那麼我們的地球是大還是小呢?我們生活在地球上,覺得地球非常大,但從整個宇宙來看,地球只是一粒微塵,極為微小。所以大與小是相對的概念,沒有絕對的答案。
為了探索不同空間的運作,在二十世紀初期,物理學有了翻天覆地的變化。主要是因為兩大理論的出現:相對論(Principleof Relativity)和量子力學(Quantum Mechanics)。
愛因斯坦的相對論非常成功地解釋整個宇宙的宏觀現象,包括太陽系、星系、虛空等的一切運作。而量子力學則非常成功地分析宇宙的另一極端,即最微小的粒子空間,包括原子、電子、光子等的一切現象。很多實驗都證明這兩個理論是正確的。兩個理論同時指出,在比現實環境更龐大或更細小的空間裡,唯物實在論是錯誤的。過往認為一切事物是實質的存在,或一切性質可以很準確地量度,均是錯誤的理解。
● 相對論
愛因斯坦指出質量、體積(大小)、空間、速度和時間是互相影響的,比如說,速度可以影響物質的質量、空間及時間。一切物質、空間、時間均是變量,不是實數。這是一個很重要的科學思想突破。
(1)時間的錯覺
我們常常覺得時間一秒就是一秒,一分就是一分,一個小時就是一個小時,是肯定無誤的。但事實上,這是我們錯誤的理解。比如說晚上看天上光亮的星星,我們感覺怎麼樣?星星就在這裡(頭上或在某方)是不是?其實,我們明白星星離開我們很遙遠,它發出的光以光速計算,要經過很長時間才來到我們地球。星光可能要經過十億年的時間才來到地球,那麼我們現在看到的星光其實是十億年前發出的光。等於說我們看到的星星是十億年前在某個位置,而不是現在。它現在存在於哪裡我們不知道,可能已經消失、或者已經轉移。所以,我們現在看到的那顆星星,感覺上它是在這裡,其實卻不是。它可能一萬年前在這裡、亦可能一億年前在這裡、甚至可能五十億年前在這裡。因此,我們認為是同一時間存在的東西,可能是有很大的時間差距,只是我們感覺不到而已。
又比如打雷閃電,我們先看到閃電,後聽到雷聲,但其實打雷和閃電是同一時間發生的。在天空中,雲層產生變化,同時產生了聲音和光。但光比聲音的速度快很多,因而我們先看到閃電才聽到打雷。其實,它們是同時發生的。所以,我們所看到的閃電和聽到的打雷,包含了我們對時間錯誤的感覺。
第三個例子是從愛因斯坦的相對論衍生出來的,可能會不容易明白。假如我站在某一位置,而一位朋友則坐在一輛時速120英裡的跑車上,理論上我度過了整整30秒,他只是度過了29.9999999999995秒,這個差距是非常非常細小,我們是無法感覺得到,亦無法用現有的科技測量出來,但理論上我們所度過的時間是有差距的。假如這個速度快得多,感覺就不一樣了。例如乘宇宙飛船作星際旅行,宇宙飛船以光速的87%速度飛行,時間會慢了一半。在宇宙飛船的人,他們感覺過了三年,而我們在地球已過了六年了。可惜現在還沒有這樣快的交通工具,讓我們可以親身感受。
第四個例子,我們經常用的GPS導航系統,裡面其實已經計算了時間差距,因為人造衛星的速度比我們在地面的速度快很多。當速度不同的時候,時間是有差距的。如果不調整這個差距,根本不能準確量度地面的距離,因為每天大約有十公裡的累積差異。因為調教了這個時間的差距,所以導航系統才能正確定位。
所以,時間不是實在的!時間是個動態,是無常的。速度快,時間就過得比較慢;速度慢,時間就過得比較快,這是相對的。但是我們一般人沒有想過這個問題,亦察覺不到這個差距現象。
(2)物質與空間的錯覺
習慣上,我們覺得物質是實在的,但事實上這亦是我們的誤解。以宇宙飛船很快的速度為例,宇宙飛船及在裡面的人的體積會縮小,但質量會增大。也就是說整個物質是不斷地因應速度而改變的。我們亦會發現兩個星球的距離因著宇宙飛船的速度而縮短。即整個空間的大小,也會因應活動的速度而有所改變。
理論上空間也好,物質也好,都不是實實在在,是不停改變的。只要我們有活動,質量、時間、空間就會不停地改變。但是在一般情況下我們感覺不到,因為我們現時的一切活動和交通工具無論多快,相對而言還是比較慢的,時間差距可能只有0.0000001秒,我們根本察覺不到那個差別,但不等於差距不存在,只是我們感覺或測量不到而已。所以,愛因斯坦的相對論告訴我們,速度、空間、物質和時間是互相影響,是在不停地改變的。因此愛因斯坦把空間與時間聯在一起,視為一體的「時空」概念(space-time)。
● 量子力學
量子力學的理論非常詭異,對一般人來說,是不可以理解的,但它卻被實驗證明是一個很精確的理論,而亦被應用在很多重要的科技發展上。奇妙之處在於,沒有人能夠真正認識它,連量子力學創始人之一的玻爾(Niels Bohr)都說他們都沒有搞懂。
量子力學有兩個基本原理:測不準定理(Principle of Uncertainty)及物質二重性(Dualism of Matters)。任何極微小的東西,如粒子、光子、電子等等,它們可以有兩種不同的形態出現,可以是實實在在存在而佔有空間的一微細粒點,亦可以是不佔有空間而存在的一種波(波動),能擴散到任何地方。就算是粒點,它亦沒有一固定的位置,可能在這裡又或在其他地方,至於最終出現在那裡是一種機會率,但更重要的是它的出現是受到人類意識所影響。
● 弦論
我們可以明白到從微觀世界,到現實世界,再到宏觀世界所引用的科學理論是不一樣的。
相對論與量子力學雖然非常成功地解釋不同層面的大空間或微小空間的情況,但它們兩者之間也有不能協調的地方。雖然愛因斯坦窮一生的研究,希望能找出一個單一的統一理論(Unified Theory)來解釋一切時空(從最小到最大的太空),但最終都未能成功。結果,在他去世後的二十世紀後期,很多物理學家及數學家提出了一個新的理論叫弦論(String Theory)。這個弦論現在慢慢發展到更全面的M-論(M-Theory),這個理論可以解釋一切從最微小到最龐大的事物及現象,融合了相對論及量子力學。
在我解釋弦論之前,我先介紹交響樂團的演奏過程。交響樂團裡,有大提琴、中提琴、小提琴等樂器。如果每位琴手不跟樂章各自彈奏,就會雜亂無章。但是只要他們跟著指揮彈奏著同一個樂章,情況就不一樣了。當每位琴手彈一條弦時,每條弦會震動而產生一個音符,眾多互相協調的音符便會奏出非常和諧的樂曲。這個樂曲隨著樂章的旋律,慢慢改變,直到樂章完結。下次緣分到了,每位琴手又再聚在一起共奏另一首美妙的交響樂。
弦論相信世間萬事萬物的基本粒子、電子、原子、光子、夸克等等,實際上不是實在的質點,而是一種非常非常小的細絲,(是物質的最小極限,是一條細絲或是極細小的橡皮圈),物理學家稱之為「弦」(string)。這個「弦」不停地震動(vibration),震動時發出一定的頻率(frequency)及震幅(amplitude),就好像彈小提琴的弦一樣,產生特定的音符,相當於一種特定的能量。弦論家相信每一特定音符相對於某一基本粒子,如電子、光子等。而萬事萬物都是從基本粒子組成,即是從很多「弦」的不同音符組成。假如很多「弦」聚在一起,當它們震動的頻率互相沒有關係的時候,就好像各琴手不跟同一樂章各自彈自己的琴,不會產生美妙的音樂。只有他們依照樂章彈奏,互相協調、和諧共振,才會奏成悅耳的交響樂。
跟據愛因斯坦的能量(E)與質量(M)互變理論,E=MC2(C代表光的速度),當很多微小的「弦」聚集在一起,和諧共振,能量互相協調,跟著變成更大的能量,這個大能量可以以一種物質或現象的形態展現出來。換句話說,一切物質及現象都是在很多相關的「弦」在和諧共振下產生出來的不同交響樂(能量)。假如這個緣分離開了,好像交響樂演奏完畢,這些不同的「弦」就分開了,而這個物質或現象就不復存在(注一)。
總的來說,原子、電子及所有基本粒子其實不是實在的,它們只是「弦」在不同震動模式下所產生的不同物質,很多「弦」聚集在某個環境,可以產生非常大的能量。所以萬事萬物,包括你與我,都是由很多很多的「弦」在某環境條件下聚在一起,跟著某一特定的規律(樂章),產生和諧共振所組成的交響樂(更大的能量組合)。當環境條件改變了,以至消失了,這個能量所展現的形態亦會改變甚至會分散,回歸到本來的各自小能量(粒子)。
量子力學首先打破了我們對很微小物體是一實體的概念,而弦論更徹底改變了我們對物質的了解。萬事萬物是由不同的「弦」聚在一起和諧共振產生出來的。所以一切物質,都不是實實在在地存在的,只是能量的某個形態。能量能展現出一個我、展現出一棵樹、甚至展現出狂風暴雨。
要注意的是,弦論是在最近二三十年才研究出來的理論,還在發展的初階,是還未經實驗證明的學說。但是很多著名的科學家,相信弦論(以至演進中的M-論)有機會可以演變為統一理論來解釋整個宇宙的本體及其自然規律。
小總結
根據愛因斯坦的質能互變定律,相對論,量子力學及弦論,一切物質、空間與時間都不是實有和不是固定不變的。一切物質與現象都是根據一定的條件凝聚而產生出來,會跟條件改變而有所變化,當條件分散物質與現象就會轉變或消失。