【大宇宙小故事】35 雞蛋與剃刀

撰文|葉李華

在《新世界的歷史》(1565)這本義大利文著作中,有一則關於哥倫布的軼事,大意如下:在一個宴會上,許多西班牙貴族圍著哥倫布聊天,話題可想而知是新大陸。其中一位貴族說:「我國人才濟濟,即使你沒發現新大陸,遲早也會有人完成這項壯舉。」哥倫布不置可否,轉身叫僕人拿個生雞蛋來,然後對眾人說:「我能徒手豎起這顆蛋,你們有誰做得到?」大家試了試,果然沒有人成功(或許那天不是端午節?)。等到雞蛋傳回哥倫布手上,他立刻將蛋頭敲破一點,然後露出詭異的笑容。這時大家才恍然大悟:有些看似無解的問題,一旦答案揭曉,模仿起來其實非常容易!

這個真實性可疑的故事流傳甚廣,聽過的人想必不在少數。如今,它又經常出現在創意課程教材中,用以闡明「知難行易」這個道理。

哥倫布示範豎雞蛋的方法(十八世紀畫作,圖像來源:維基百科)

相較之下,科普文獻似乎很少提到這個故事,這有點可惜,因為它很適合用來突顯一個事實:某些發明或發現在現代人看來稀鬆平常,以致我們很難想像,當它剛出現的時候,曾經造成多麼大的震撼!

電磁學中的「奧斯特實驗」就是這類例子的經典。

我們在〈統一與獨立〉這篇文章中曾經特別強調,十八世紀末,科學界的主流觀點仍是認為電與磁沒有實質關聯。不過,抱持相反意見的人還是有的,丹麥科學家奧斯特(Hans Christian Oersted, 1777-1851)就是非主流派的代表人物。他在求學時期深受康德哲學的影響,而「統一的宇宙」正是康德哲學的中心思想之一,奧斯特自然而然將這種想法奉為圭臬,甚至當成一種信仰。

獲得博士學位後,奧斯特申請到一筆遊學獎學金,於1801-03年間遍遊歐陸幾個科學大國。在德國的時候,他遇到一位志趣相投的學者,兩人很快成為莫逆之交。這位名叫芮特(Johann W. Ritter, 1776-1810)的德國人是一位天分極高的實驗科學家(電鍍法、乾電池、蓄電池都是他發明的),身後享有「電化學之父」的美譽。可是另一方面,他十分不善於言語和文字表達,無法融入當時的科學社群,以致在短短的一生中,一直沒有機會大展所長。

芮特同樣是康德哲學的信徒,信仰甚至比奧斯特更堅定。在兩人結識前,他就試圖證明「電磁一家」,雖然一再失敗,他卻毫不氣餒,始終沒有放棄,只可惜天不假年,讓他最後抱憾而終。

芮特過世後,奧斯特又努力了整整十年,才終於達成好友的遺志,時間是1819年底(或次年初)。這個實驗非常簡單,一句話便能說完:將一條(利用伏打堆供電的)電線靠近磁針,只要電線和磁針平行,便會導致磁針出現明顯的偏移,這就充分證明電與磁確實有互動關係。

大家不妨想想,這麼簡單的實驗,是不是足以媲美哥倫布豎雞蛋?正是因為它太簡單了,奧斯特公諸於世後,歐洲許多科學家競相驗證,結果發現屢試不爽,也就是說它的可重複性百分之百。

這個意義深遠的科學發現,重要性不下於新大陸,照常理來說,奧斯特應該和哥倫布一樣家喻戶曉。然而事實並非如此,一般人對他的生平事蹟相當陌生。

奧斯特(圖像來源:維基百科)

例如很少有人知道,奧斯特也是十九世紀丹麥文化界的重要人物,不但在哲學和神學方面頗有建樹,對丹麥的政治與高等教育也有卓越的貢獻。此外恐怕更沒有人知道,他還是童話大師安徒生(Hans Christian Andersen,1805-1875)的忘年之交,兩人有著十分深厚的情誼(更有趣的是,兩人的名字相似度高達66%)。

至於他為何沒有成為電學的哥倫布,有人歸咎於「奧斯特實驗」只是定性的結果,欠缺定量的內涵(主要是因為奧斯特並非實驗高手,數學也不太好),但正所謂瑕不掩瑜,這應該不是主要的原因。至於真正的主因,恐怕是他犯了一個學術錯誤。

在說明這個錯誤之前,我們必須先做些準備工作。首先,請想像你是十九世紀初的科學家,根據從小受的教育,你知道磁針偏轉只有兩種原因,一是受到地磁的作用,二是被附近的磁鐵影響。不過,由於吉伯特早已「證明」地球是個大磁鐵(請參考〈女王與教皇〉),這兩個原因可視為同出一源。

現在,你突然獲悉「奧斯特實驗」的內容:通電的電線也能造成磁針偏轉。經過一番理性分析,你列出兩種可能性:

一、通電的電線會像磁鐵一樣發出磁力,這個磁力影響了磁針。

二、通電的電線會藉著另一種(神秘)機制導致磁針受到影響。

還有沒有第三種可能呢?根據邏輯,應該沒有了。

接下來請你繼續假扮那個時代的科學家,問問自己會支持哪一種可能。如果你猶豫不決,不妨先想想下面這個問題:你出門在外,突然發現皮夾不見了,而你萬分肯定不是自己粗心大意,那麼下列兩種可能,你會傾向於哪一種?

一、被扒手扒走了。

二、被一種神秘的力量轉移到另一處(也許是另一個星球,或另一種空間)。

現在,你八成會猜奧斯特選擇了第一種可能。抱歉,不對!事實是,奧斯特居然做了另類選擇,他的論文題目〈電衝突對磁針產生之效應的相關實驗〉就是最好的證據。換句話說,他將這種神秘的機制稱為「電衝突」(拉丁文conflictus electrici, 英文electrical conflict),然後循著這個方向繼續研究下去……

至於什麼是「電衝突」,奧斯特雖然花了許多心力解釋,後世史家咸信他始終沒有說清楚──怪不得法拉第曾經公開承認看不太懂。

奧斯特之所以特立獨行,原因其實不難理解,那就是他將康德哲學視為金科玉律。但由於他的思辨過程相當複雜,很難用「哲普語言」三兩下說清楚,我們索性改用另一種非常簡單的科學哲學理論,試著分析一下奧斯特到底犯了什麼錯。

這個理論就是所謂的「奧坎剃刀」(Occam's Razor=Ockham's razor),也可以意譯為「簡約法則」。顧名思義,它可說是科學哲學中的「極簡主義」,主張在進行科學推論時,若有幾個勢均力敵的理論可供挑選,應該盡量選用前提最精簡者(例如「被扒手扒走了」)。

在此必須趕緊強調,「奧坎剃刀」絕非什麼金科玉律,甚至欠缺科學上的扎實根據,然而幾百年的科學發展告訴我們,它是個非常成功而且非常有效的經驗法則。奧斯特大膽挑戰這個法則,勇氣固然可嘉,結果卻是一步步走向死胡同。

另一方面,在奧斯特發表實驗結果兩個月後,一位法國科學家明智地選擇了另一種可能性,後來果然走出一條康莊大道,他就是大名鼎鼎的安培。

奧坎的威廉(圖像來源:維基百科)

註一:奧斯特是在1820年七月將實驗結果以拉丁文寫成短短四頁的論文,隨即以書信方式私下流傳,以便盡快廣為人知(後來則有英譯本正式發表)。這篇論文一開始就提到,相關實驗最早是在「前一個冬天」完成的,與一般文獻採用的「1820年四月」頗有出入。

註二:「奧坎剃刀」的發明人是十四世紀的一位英國修士,名叫奧坎的威廉(William of Ockham, 由此可知奧坎是他的家鄉,並非姓氏)。其中「剃刀」意味著不符極簡原則的理論通通應該被「剔除」。

註三:關於哥倫布的那樁軼事,在《新世界的歷史》這本書中其實並未提到新大陸,而是以「東印度」取而代之。這是因為在哥倫布有生之年,一直以為自己真的航行到了印度,而這也正是「印地安人」(Indian)這個錯誤名稱的由來。此外嚴格說來「哥倫布發現新大陸」也是隱含種族偏見的說法,因而有人主張將「發現」改為「相遇」。

 

加入好友

3,431 人瀏覽過