437 期 2010.09 信仰與科學【韓偉紀念講座】
太陽系與原子
──俄羅斯洋娃娃？
文 / 黃小石　圖片提供 / 美國太空總署資料圖片

中學時以為，由銀河系構成的宇宙，就相當於由分子構成的人。……想到這裡，我似乎發現宇宙中的對稱性，便立志長大要學物理。進入大學，念了物理，才知實情並非如此，微觀的原子世界並不能以宏觀世界的經歷來想像。

發現宇宙的對稱性？

↑原子的內部構造。

↑氧離子被太陽風從地球的大氣層排出，再經過磁場回到南、北極。

讀小學時，聽自然課的老師說，太陽系很漂亮（註4）！中間是個大太陽，外面有九個行星在九個同心的軌道上，按著同一個方向繞著太陽轉，最外面的冥王星（註5）與太陽的距離，約是太陽半徑的一萬倍，故此，太陽系是個很空曠的地方；地上實驗室能達到的最高真空（約是大氣壓的一萬億分之一）（註6），還是比太空裡的真空差一百萬倍。

進入中學，又聽物理老師說，構成萬物的原子很漂亮（註7）！在原子的中間有個很重（相對而言）且帶著正電的原子核；外面則有許多帶著負電的小電子，在電力的牽引下，它們在不同的軌道上繞著原子核轉。若以宇宙中第三多（註8）的氧原子來看，在原子核外面有八個電子繞著轉，最外面的電子與其原子核的距離，約是原子核半徑的十萬倍，（原子也是個非常空曠的結構，試想物體何以摸起來如此緊密結實？）我又想：原子核比電子重幾千倍，太陽也比行星重幾千倍，雖然太陽系直徑約有一百萬億公尺，而原子只有一百億分之一公尺大小，卻是兩個看起來非常相像的結構。這跨越一萬萬億億倍（二十四個零）尺度的對稱，實在太奇妙了──原子裡有太陽系，太陽系中又有原子。

又想：我們是由許許多多的分子構成，每個分子又由許多原子構成（現在知道，我們身體中大約有一千億億億個原子），而宇宙也是由許許多多的銀河系構成，每個銀河又是由許許多多的太陽（系）構成（現在知道，宇宙中起碼有一百萬億億個太陽）。所以，若太陽系相當於原子，銀河系相當於分子，再以電磁力代替重力，這由銀河系構成的宇宙，就相當於由分子構成的人。想到這裡，我似乎發現宇宙中的對稱性，心中興奮不已，便立志長大要學物理。

十八世紀的英國畫家詩人 William Blake 說得真好（註9）：
從一顆細沙中看到宇宙，
從一朵野花裡窺見天堂；
把無窮握於掌上，
將永恆持於瞬時。

直到進入大學，念了物理，才知實情並非如此，天地宇宙遠比兒時想像的神奇多了。宇宙與原子自有其相似的地方，比方說：把太陽繫在一起的重力，是依據平方反比定理，就是質量的乘積除上距離的平方；而把原子主要的成分──電子與原子核──繫在一起的電磁力，也是依據平方反比定理（註10），就是電價的乘積除上距離的平方；但是這微觀的原子世界並不能以宏觀世界的經歷來想像。

……(文未完，請見2010年09月雜誌)