物理学与道

物理学与道

蔡宗儒教授湘潭道南书院

物理学的起源可追溯至公元前六世纪希腊，在当时是科学、哲学与宗教不分的时代。物理学的英文是Physics，是由希腊字Physis衍伸来的。Physis这辞相当于英文的Nature，意指自然界、宇宙万事万物的本质或是基本要素。把探索宇宙万事万物的本质或是基本要素所得到的知识统称为Physics，物理学。在东方儒释道三家研究宇宙万事万物的本质或是基本要素所使用的词汇是所谓的自性、法性或是道。

公元十五世纪伽利略强调实验，一切讲求经验，然后将实验所得的知识用数学表达，发展出以实验为基础和以数学为表达的物理学，因此将伽利略尊称为现代科学之父。

到公元十七世纪，西方笛卡儿哲学把自然界区分成精神与物质互相独立的两世界，有生命的是属于精神，而物质是没有生命的，是可以和人完全隔离的，所以物质世界是完全客观的。这样的二元对立的笛卡儿分割，深深影响整个西方的思潮。

牛顿也受笛卡儿哲学的影响，在牛顿力学理论里有四个要点，第一是绝对空间；第二是绝对时间；第三是将物质视为具有不变质量的质点；第四是任两质点存在超距作用的万有引力。宇宙万物是存在于绝对空间，所谓绝对空间是指空间始终是静止的，不变的，和宇宙万物存在与否无关。宇宙万物的变化则是透过时间来定序，且时间是绝对的。绝对时间是指宇宙各处的时间都是一样的，在这条件下，事件

发生的先后次序是不变的。物质视为具有不变质量的质点，这个质点是一个致密的真实存在，有固定的运动轨迹、速度和加速度。质点与质点间有所谓的万有引力相互作用。牛顿把这四个要点建立起来，进而发展出牛顿运动定律。宇宙万物的运动是遵守牛顿运动定律，而牛顿运动定律是归属上帝的杰作。宇宙就好像机器一样永久运转着，不论是否有观察者存在，它始终遵循运动定律运转，这就称作机械论的世界观。

机械论的世界观具有三个特点：第一个特点是时间、空间与物质彼此都是独立，互不影响的；第二个特点是严格的决定论，决定论的因果性是由运动方程式决定。给定起始条件，就可推算物体随时间的运动状态；第三个特点是绝对的客观，机械论的世界因前两点被客观的描述，可不提及观察者。机械论的世界不受观察者的影响，它是绝对的客观，观察者和世界是可以分割，宇宙跟我们是可以切开的。

在二十世纪爱因斯坦的狭义相对论有两个基本假设：第一个假设是在所有惯性系统光速不变原理；第二个假设是在所有惯性系统，物理定律具有相同的形式。经由这两个基本假设的推演，得出三个重要的结果：首先时间与空间彼此不再是独立无关，时间与空间必须要统一为时空，是不可分的。其次时空也不再是绝对的，不同惯性系统的时空彼此是不同的。最后质量是能量的一种形式，质量与能量是可以互相转换。换言之致密实在的物质和无形的能量是等价的。

爱因斯坦在他的广义相对论讨论了万有引力的问题，他提出物质会造成时空的弯曲。物质的质量越大，在此物质周遭的时空弯曲的更

严重。因为时空弯曲是物质造成的结果，所以物质影响着时空，同样的时空也反过来影响着物质运动，它们彼此交互影响。所以时空和物质要统整一起讨论，离开物质来讨论时空和离开时空来谈物质都是没有意义的。至此整个物理学观念，从绝对时间、绝对空间、物质不灭、致密实在的物质、绝对的客观、决定论演变成时空是相对的，时空与物质要统整一起讨论，物质是能量的一种形式且质能不灭，宇宙是客观的，物质的运动还是决定论。也就是说物理学家认为宇宙是与观察者分离，是外在、客观的，只要准确知道物质起始运动状态，必然能明确的预测物质未来的运动轨迹以及其运动状态。不论物质是大还是小，只要有适当的测量技术，都能准确的描述物质的运动特性。

二十世纪另一个对物理学起革命性影响的量子理论告诉我们微小粒子(例如电子、光子等)是具有波和粒子的二元特性。量子理论说把微小粒子看成一个质点，且能准确描述粒子的运动特性(如位置、速度、能量等)是做不到的。微小粒子是用抽象的波函数来计算它的运动特性。波函数的绝对值的平方代表机率，所以微小粒子的运动特性只能以机率来描述。譬如要知道微小粒子所在的位置，量子理论只能说它在这里被发现的机率是多少。微小粒子的运动状态何时会改变以及改变后的状态都只能以机率来描述。我们无法同时知道微小粒子的位置与其速度。微小粒子不再视为一个孤立的质点，而是受机率的图像(机率波)分布在空间。机率波是由波函数计算而得到，是和周遭环境息息相关的。

当微小粒子化成机率波图像，我们无法确定粒子一定在某个位

置，也无法确定它一定不在某个位置，只知道它在空间里面。微小粒子展示一种无所在无所不在的奇妙特性，它无所在指它没有确定位置，无所不在指机率波是遍布整个空间。量子理论对微小粒子的观点也和佛法《金刚经》的一句话「我说微尘即非微尘，是名微尘。」相通。我说微尘，微尘就是微小粒子。即非微尘，微小粒子是以机率波的方式遍布在空间，具有一种无所在无所不在的奇妙特性。是名微尘是指这就是微小粒子的真实情况。量子理论推翻了质点具有明确的位置和运动特性，也推翻了决定论，实验结果是以机率来展现。微小粒子的机率波分布是受到周遭环境来决定的，也就是说微小粒子的行为完全是与周遭环境紧密不可分的。

我们来讨论光的特性，要讨论光的特性必须要提到一个非常有趣且重要的实验，光的双狭缝实验，如图一所示。当一束光穿透过双狭缝，在双狭缝后方的布幕上会观察到亮暗亮暗的条纹，这称为干涉条纹。这样的实验结果与两个水波彼此互相干涉所造成的干涉条纹相同，实验结果证实光是一种波动。当把入射光的强度一直衰减，衰减到一次只有一个光子穿透双狭缝，所以光子可选择走左边的狭缝，不然就只能走右边狭缝，原本预期这样的实验不会观察到干涉条纹，但令人惊讶的是将光子落在布幕位置做统计的结果依然呈现干涉条纹的分布，如图二所示。非常有趣的是当测量的方式由布幕改成两个光侦测器，如图三所示。两个光侦测器放置的位置恰好是对着两个狭缝，如此一来只要光从左边狭缝过来，就会被左边的光侦测器测量到讯号，同样的光走右边狭缝也是会被右边的光侦测器测到。当测量方式

改成光侦测器测量，如果光是波动且有干涉现象，光的能量就会依照干涉条纹分布在空间而不会侷限在某个位置，所以用光侦测器测量光的能量应该只能测量到部份的光，没有办法把光全部测量到。非常奇妙的是当用侦测器测量的时候，可以把全部光的能量都测量出来，这个时候似乎波动特性消失了，光的能量是集中且局限在固定的位置，展现出粒子特性。所以用布幕的方式测量显现干涉条纹，光呈现波动特性。换以光侦测器方式量测时，光则呈现粒子特性。

在2011年Ionicioiu和Terno在物理评论期刊首度提出以量子元件来控制布幕与光侦测器之间切换的理论架构，并认为在量子控制的架构下能进一步的检验光的波动与粒子二元特性和观察单一光子的粒子性与波动性的变换[1]。在2012年Tang等研究团队首度实现量子控制的相关实验[2]。他们观察到单一光子除了有粒子性和波动性外，更展现粒子和波动的叠加特性，而粒子与波动的叠加特性可以是无量的。实验结果显示光子呈现无量的特性，它可以是完全的粒子性，可以是完全波动性，可以是粒子少一点波动多一点的叠加特性，也可以是粒子多一点和波动少一点的叠加特性，它的变化是无量的。

光子的性质到底是什么呢？它时而展现粒子，时而展现波动，时而展现粒子和波动叠加的特性，而且是无量的特性。这些无量的特性是由同一光子所展现，所以对光子而言，它展现「一为无量，无量为一」的特点。其次粒子性，波动性和无量的粒子和波动的叠加性，这些所有的特性都是平等，无有高下之分，都是同一光子展现出来的。最后光子展现了「无分别中有分别，有分别中无分别」的特点，同一

光子因测量方式的改变，显现出无量的特性，这就是无分别中有分别。而无量的特性却都是同一光子所显现，这就是有分别中无分别。

光子所展现的性质，如粒子、波、无量的粒子和波的叠加等，都是光子和周遭实验量测系统之间相互作用的呈现。实验量测系统的设计安排以及对种种性质下定义都是观察者来决定。所以光子的性质是由观察者与光子之间的交互作用来理解。这观察者决定实验测量系统的设计与安排和下种种定义。我们得到很重要的结果，那就是把光子视为外在、独立于观察者，而且能对光的性质做客观描述是错误的。观察者决定测量实验系统，而这测量实验系统就已经决定待测对象所能展现的特性，当测量实验系统改变，待测对象的性质也将随之改变。观察者在佛法称为「能」是实际的参与者，他确切影响着被观察对象所显现的性质，被观察对象在佛法称为「所」。有怎么样的「能」就对应到怎么样的「所」，所以「能」与「所」是不可分的。上面所谈的「能」与「所」是不可分，不仅仅是在语言逻辑层次，更是在实际的「能」与「所」关连作用就是如此。如此说来认为宇宙万物是绝对的客观是错误的。佛法的「万法唯识」就是指我们对宇宙万物的理解都是经由我们去测量和下定义后的结果。

再次细究光子的特性，光子的特性用佛法的语言就是光子的自性。光子的特性是经由观察者与光子之间的交互作用来显现。光子可以显现波动，或是粒子，或是无量无数的波和粒子叠加态的特性。无量的特性都是去观察的结果，当实验条件是测量粒子特性，光子就呈现粒子性；当实验条件是测量波动性，光子就呈现波动性；又当实验

条件是测量粒子和波动叠加态的特性，光子就呈现粒子和波动叠加的特性。光子并没有坚持那个特性，光子好像空空的，像镜子一样。当照镜子时，你拿甚么来照，镜子就显现甚么给你。同样的镜子本身并没有坚持个什么影像，也就是说没有那个影像能占据在镜子里面，也没有那个影像能代表镜子，镜子好像是一种空的状态，但又不是没有，它又能显现万象。光子的这种奇妙的特性，好像空空的但测量又呈现无量的特性，用佛法的语言称「空性」，或是「自性空」。光子经测量所展现的无量特性，这些无量特性用佛法的语言就是光子无量的「相」。不论是粒子性、或是波动性、或是粒子和波动叠加性，都不能独自的代表光子(不即)，但这些特性又都是光子所显(不离)。光子所呈现的无量特性(相)，彼此是平等，光子并没有特别坚持某个特性(相)，所以说光子是「空相」。

当我们说光子是波动性，是粒子性，或是波和粒子叠加的特性，对光子而言，它并没有生个什么，也没有灭个什么。当它从波动性变成粒子性的时候，并不是波动性灭掉，生出粒子性。对光子而言它还是光子，它没有增加个什么，也没有减少个什么。所以佛法《心经》提到「不生不灭，不垢不净，不增不减」。所以光子的「空性」不是有，也不是没有，是说好像空的样子，又能和量测系统起作用，展现无量的特性。「空性」就是不可说，因为能显现无量特性所以没有办法说。所以《金刚经》的「我说微尘，即非微尘，是名微尘」，更深理解就是不可说。认为光子本自具有独立客观的特性是错误的，因为它的特性都是与观察者交互作用得到，所以光子的无量特性都是「无我」。

我们所理解的宇宙万象一切都不是客观，观察者是实际参与在其中。佛法唯识学的「徧计所执」，可以说是测量，做无尽徧及一切的测量。对宇宙万物的观察，不论是使用感官或是实验仪器等就是在做测量。唯识学的「依他起」，就是说宇宙万象的种种特性是经由观察者和宇宙万象之间相互作用来决定，所显现的种种特性都不是宇宙万象独立客观本自具备的。唯识学的「圆成实」，就是对宇宙万象做测量所呈现无量的特性，是不即不离宇宙万象，测得的特性虽然千差万别，但对宇宙万象是不生不灭，不垢不净，不增不减，所以形容宇宙万象是「空性」或是「空相」，是不可说。「万法唯识」就是指我们对宇宙万物的理解都是经由我们去测量和下定义的结果。所以宇宙万象(客)与观察者(主)是不能分的，显示了我们所理解，认识的宇宙万象是和我们一体不可分的，所以佛法说是「一合相」。

中国的《易经》说:「一阴一阳之谓道」。阴是指山的背阳面，是阳光照不到的地方。阳就是山的向阳面。阴与阳彼此对立又统整在一起称之为道。图四是太极图，白色部分为阳，黑色部分为阴。道在太极图就是涵盖整个圆，统整阴阳又超越阴阳。中国道的思想认为宇宙万象是道的展现，所以道无所在无所不在。道是超越语言文字和概念，所以道是不可说的。道学与物理学所得以及佛法讲的完全是相通的。太极图黑色区域可以视为观察者而白色区域就是观察对象，观察对象和观察者是统整在一起，是一体的，表示观察者做怎么样的观察就决定观察对象的显现。因为没有绝对的客观，观察对象的特性是观察对象与观察者交互作用得到，所以太极图白色区域的核心有一个黑

点，这个黑点表示所理解的白色区域也是根基于观察者(黑色)。反过来说，太极图黑色区域(观察者)的核心有一个白点，代表观察者也是根基于观察对象，就是能做种种观察与下定义。所以一切好似对立却又统一，主客能所不可分，主(能)与客(所)终究是不可说。