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鸡蛋与剃刀

在《新世界的历史》(1565)这本意大利文著作中,有一则关于哥伦布的轶事,大意如下:在一个宴会上,许多西班牙贵族围着哥伦布聊天,话题可想而知是新大陆。其中一位贵族说:“我国人才济济,即使你没发现新大陆,迟早也会有人完成这项壮举。”哥伦布不置可否,转身叫仆人拿个生鸡蛋来,然后对众人说:“我能徒手竖起这颗蛋,你们有谁做得到?”大家试了试,果然没有人成功(或许那天不是端午节?)。等到鸡蛋传回哥伦布手上,他立刻将蛋头敲破一点,然后露出诡异的笑容。这时大家才恍然大悟:有些看似无解的问题,一旦答案揭晓,模仿起来其实非常容易!
这个真实性可疑的故事流传甚广,听过的人想必不在少数。如今,它又经常出现在创意课程教材中,用以阐明“知难行易”这个道理。

哥伦布示范竖鸡蛋的方法(十八世纪画作,图像来源:维基百科)

相较之下,科普文献似乎很少提到这个故事,这有点可惜,因为它很适合用来突显一个事实:某些发明或发现在现代人看来稀松平常,以致我们很难想象,当它刚出现的时候,曾经造成多么大的震撼!

电磁学中的“奥斯特实验”就是这类例子的经典。

我们在〈统一与独立〉这篇文章中曾经特别强调,十八世纪末,科学界的主流观点仍是认为电与磁没有实质关联。不过,抱持相反意见的人还是有的,丹麦科学家奥斯特(Hans Christian Oersted, 1777-1851)就是非主流派的代表人物。他在求学时期深受康德哲学的影响,而“统一的宇宙”正是康德哲学的中心思想之一,奥斯特自然而然将这种想法奉为圭臬,甚至当成一种信仰。

获得博士学位后,奥斯特申请到一笔游学奖学金,于1801-03年间遍游欧陆几个科学大国。在德国的时候,他遇到一位志趣相投的学者,两人很快成为莫逆之交。这位名叫芮特(Johann W. Ritter, 1776-1810)的德国人是一位天分极高的实验科学家(电镀法、干电池、蓄电池都是他发明的),身后享有“电化学之父”的美誉。可是另一方面,他十分不善于言语和文字表达,无法融入当时的科学社群,以致在短短的一生中,一直没有机会大展所长。

芮特同样是康德哲学的信徒,信仰甚至比奥斯特更坚定。在两人结识前,他就试图证明“电磁一家”,虽然一再失败,他却毫不气馁,始终没有放弃,只可惜天不假年,让他最后抱憾而终。

芮特过世后,奥斯特又努力了整整十年,才终于达成好友的遗志,时间是1819年底(或次年初)。这个实验非常简单,一句话便能说完:将一条(利用伏打堆供电的)电线靠近磁针,只要电线和磁针平行,便会导致磁针出现明显的偏移,这就充分证明电与磁确实有互动关系。

大家不妨想想,这么简单的实验,是不是足以媲美哥伦布竖鸡蛋?正是因为它太简单了,奥斯特公诸于世后,欧洲许多科学家竞相验证,结果发现屡试不爽,也就是说它的可重复性百分之百。

这个意义深远的科学发现,重要性不下于新大陆,照常理来说,奥斯特应该和哥伦布一样家喻户晓。然而事实并非如此,一般人对他的生平事迹相当陌生。

奥斯特(图像来源:维基百科)
例如很少有人知道,奥斯特也是十九世纪丹麦文化界的重要人物,不但在哲学和神学方面颇有建树,对丹麦的政治与高等教育也有卓越的贡献。此外恐怕更没有人知道,他还是童话大师安徒生(Hans Christian Andersen,1805-1875)的忘年之交,两人有着十分深厚的情谊(更有趣的是,两人的名字相似度高达66%)。
至于他为何没有成为电学的哥伦布,有人归咎于“奥斯特实验”只是定性的结果,欠缺定量的内涵(主要是因为奥斯特并非实验高手,数学也不太好),但正所谓瑕不掩瑜,这应该不是主要的原因。至于真正的主因,恐怕是他犯了一个学术错误。
在说明这个错误之前,我们必须先做些准备工作。首先,请想象你是十九世纪初的科学家,根据从小受的教育,你知道磁针偏转只有两种原因,一是受到地磁的作用,二是被附近的磁铁影响。不过,由于吉伯特早已“证明”地球是个大磁铁(请参考〈女王与教皇〉),这两个原因可视为同出一源。
现在,你突然获悉“奥斯特实验”的内容:通电的电线也能造成磁针偏转。经过一番理性分析,你列出两种可能性:
一、通电的电线会像磁铁一样发出磁力,这个磁力影响了磁针。
二、通电的电线会借着另一种(神秘)机制导致磁针受到影响。
还有没有第三种可能呢?根据逻辑,应该没有了。
接下来请你继续假扮那个时代的科学家,问问自己会支持哪一种可能。如果你犹豫不决,不妨先想想下面这个问题:你出门在外,突然发现皮夹不见了,而你万分肯定不是自己粗心大意,那么下列两种可能,你会倾向于哪一种?
一、被扒手扒走了。
二、被一种神秘的力量转移到另一处(也许是另一个星球,或另一种空间)。
现在,你八成会猜奥斯特选择了第一种可能。抱歉,不对!事实是,奥斯特居然做了另类选择,他的论文题目〈电冲突对磁针产生之效应的相关实验〉就是最好的证据。换句话说,他将这种神秘的机制称为“电冲突”(拉丁文conflictus electrici, 英文electrical conflict),然后循着这个方向继续研究下去……
至于什么是“电冲突”,奥斯特虽然花了许多心力解释,后世史家咸信他始终没有说清楚──怪不得法拉第曾经公开承认看不太懂。
奥斯特之所以特立独行,原因其实不难理解,那就是他将康德哲学视为金科玉律。但由于他的思辨过程相当复杂,很难用“哲普语言”三两下说清楚,我们索性改用另一种非常简单的科学哲学理论,试着分析一下奥斯特到底犯了什么错。
这个理论就是所谓的“奥坎剃刀”(Occam's Razor=Ockham's razor),也可以意译为“简约法则”。顾名思义,它可说是科学哲学中的“极简主义”,主张在进行科学推论时,若有几个势均力敌的理论可供挑选,应该尽量选用前提最精简者(例如“被扒手扒走了”)。
在此必须赶紧强调,“奥坎剃刀”绝非什么金科玉律,甚至欠缺科学上的扎实根据,然而几百年的科学发展告诉我们,它是个非常成功而且非常有效的经验法则。奥斯特大胆挑战这个法则,勇气固然可嘉,结果却是一步步走向死胡同。
另一方面,在奥斯特发表实验结果两个月后,一位法国科学家明智地选择了另一种可能性,后来果然走出一条康庄大道,他就是大名鼎鼎的安培。

奥坎的威廉(图像来源:维基百科)
注一:奥斯特是在1820年七月将实验结果以拉丁文写成短短四页的论文,随即以书信方式私下流传,以便尽快广为人知(后来则有英译本正式发表)。这篇论文一开始就提到,相关实验最早是在“前一个冬天”完成的,与一般文献采用的“1820年四月”颇有出入。
注二:“奥坎剃刀”的发明人是十四世纪的一位英国修士,名叫奥坎的威廉(William of Ockham, 由此可知奥坎是他的家乡,并非姓氏)。其中“剃刀”意味着不符极简原则的理论通通应该被“剔除”。
注三:关于哥伦布的那桩轶事,在《新世界的历史》这本书中其实并未提到新大陆,而是以“东印度”取而代之。这是因为在哥伦布有生之年,一直以为自己真的航行到了印度,而这也正是“印地安人”(Indian)这个错误名称的由来。此外严格说来“哥伦布发现新大陆”也是隐含种族偏见的说法,因而有人主张将“发现”改为“相遇”。

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