大轉折：百年科學匯流史，扭轉人類文明的關鍵融合

最早當愛因斯坦構思出他的相對論之時，多數科學家都認為，宇宙理所當然是靜態的。然而相對性要帶給天文學家一個驚奇：愛因斯坦的方程組預測，宇宙要嘛就會膨脹，不然就會收縮。結果看來十分詭異─就連在愛因斯坦眼中也是如此─於是他拿自己的計算結果來修修補補，好讓他的理論宇宙能夠屹立不搖。
亞歷山大．弗里德曼（Alexander Friedmann），出身聖彼得堡的俄國年輕科學家（而且部分時間投入飛熱氣球），第一次世界大戰戰後（戰時他擔任轟炸機飛行員）才得知愛因斯坦的理論。即便如此，他仍是最早讓愛因斯坦反省檢討的第一人。弗里德曼自修相對性，期間他察覺愛因斯坦犯了個錯，而且宇宙若非膨脹肯定就是不斷收縮。他發現這個構想實在令人振奮，於是大膽改良愛因斯坦的成果，發展出一個數學模型來闡揚他的信念，並把成果寄給那個德國人。然而到了一九二○年代早期，那位偉人已經成名，被雪片般的信件淹沒了。弗里德曼的構想遺失在雪崩堆中。
直到一位共同同事介紹兩人認識，愛因斯坦才終於開始認真理解那個俄羅斯人的觀點。於是他也就開始反省他的「宇宙常數」─和它的蘊含。不過後來推進發展弗里德曼構想的人並不是愛因斯坦。比利時宇宙學家喬治．勒梅特（Georges Lemaître）和其他好幾人，以他的構想為基礎繼續改進，於是隨著一九二○年代發展推演，就同質的和膨脹的宇宙充實架構了一套完備的幾何描述。勒梅特甚至還主張，宇宙說不定在悠久時光之前的某個時點，從一個「太初原子」或「宇宙蛋」開始，後來這就被稱為「大霹靂論」。
理論是一回事。然而行星、恆星和星系完全不是很小的實體。當然了，倘若宇宙果真是正在膨脹，那總也能夠觀察得到吧？若想得到解答，有種做法是觀察當時一種稱為「螺旋星雲」的天體。如今我們知道，星雲是遙遠的星系，不過在那時，以當年的望遠鏡所見，它們只是天空中模糊不清的汙斑。
接著便發現，螺旋星雲發出的光，朝著光譜紅端移動。要闡明這種紅移的重要意義，有一種做法是拿它來類比「都卜勒效應」──名稱得自克里斯蒂安．都卜勒（Christian Doppler），在一八四二年最早解釋這項觀察發現的奧地利物理學家。比方說，當一列火車或一輛摩托車向我們駛來，它的噪音會改變，當它通過遠離，噪音再次改變。解釋很簡單：當火車或機車接近時，傳抵觀察者的音波會愈來愈靠攏──間距變短。當火車或機車遠去，噪音源頭也不斷遠離，而間距也愈來愈長。光的情況也大致相同：當光源逐漸接近，光也就朝著光譜的藍端轉移，而當源頭遠離，光就會朝著紅端轉移。
第一次關鍵測試是在一九二二年由維斯托．斯里弗（Vesto Slipher）完成，當時他在亞利桑那州弗拉格斯塔夫市（Flagstaff）任職於洛厄爾天文台（Lowell Observatory）。洛厄爾最早在一八九三年建成，用來調查火星「運河」。就這次事例，斯里弗期望在星雲旋臂一側（迴旋遠離觀察者的那部分）發現紅移，並在另一側見到藍移（因為旋臂朝向地球迴旋）。結果卻發現，他檢視的四十座星雲當中，除了四座之外，其餘全都只產生了紅移。為什麼？這種混淆結果，大概是肇因於斯里弗沒辦法明確肯定星雲位於多遠之外。這讓他的紅移和距離的關聯出了問題。雖然如此，結果仍非常有啟發性。
時隔三年，情況才終於明朗。一九二九年，愛德溫．哈伯（Edwin Hubble）使用了當年最大的望遠鏡──洛杉磯附近威爾森山的一百英吋反射式望遠鏡，設法辨識出了幾座星雲旋臂裡的個別恆星，由此驗證了許多天文學家的猜想，確認那些「星雲」其實是一座座完整的星系。
哈伯的身高近一．九公尺，臉上帶著「貴族輪廓」，擅長運動，卻又帶著笨拙、內向的特性（他有次寫信給爺爺說道：「讀書一直是我的最高本性。」）哈伯畢業自芝加哥大學，拿到羅德斯學者（Rhodes Scholar）資格進牛津就讀，在那裡附庸風雅，養成了好幾種英國習俗──披斗篷、拄手杖，還吸英式菸斗──即便他才華橫溢，卻也讓同事心生嫌惡。
哈伯還發現了好幾顆「造父變星」（Cepheid variable）。造父變星是亮度規律變化的恆星（週期從一天到十五天不等），這些從十八世紀晚期開始就已經知道了。不過直到一九○八年，任職於哈佛大學──受聘為女性「計算員」，負責恆星編目工作──的亨麗埃塔．勒維特（Henrietta Leavitt）才闡明，恆星的平均亮度、大小以及和地球的相隔距離之間存有一種數學關係。哈伯使用當時他已經能夠看到的造父變星，計算出了一批星雲位於多遠的距離之外。他的下一步是計算那些距離和它們的相應紅移之相關。總計哈伯收集了二十四座星系的相關資訊，他的結果很簡單並引發轟動──星系距離愈遠，它的光紅移量也愈大。這後來便稱為「哈伯定律」（Hubble’s law），儘管他原本只針對二十四座星系進行觀察，但自從一九二九年起，那則定律業經證明也適用於其它數千座星系。
再一次，愛因斯坦的一項預測經過證明是正確的──宇宙確實正在膨脹。就許多人而言，這需要一點時間來適應。它涉及宇宙起源、特徵和時間的意義等相關蘊含。

趨異演變：亞利安物理學和猶太科學
愛因斯坦的另一項偉大構想「E=mc2」，探索時間較久，部分是由於它困陷第三帝國政治泥淖所致。
科學家遣散行動，幾乎是從希特勒在一九三三年春成為總理之後就立刻開始。就多數情況，我們會認為科學──特別是物理學、化學、數學和地質學等「硬」科學──應該不受政治體制的影響。畢竟，大家普遍認為，研究自然基本結構單元的學問，和學術工作一樣，完全超乎政治色彩之外。然而在納粹德國，沒有哪件事是可以視為理所當然的。
剛開始有些猶太學者享有豁免資格，不必離開，他們要嘛就是在一戰之前就受聘，不然就是曾經參戰，或者父老兒子有此功勳。不過這種豁免資格是得申請的，然而早年那場戰爭的老兵詹姆斯．法蘭克（James Franck）覺得，提出申請就相當於和當局勾結。（法蘭克曾隨化學家弗里茨．哈勃〔Fritz Haber〕一道研究毒氣，而且他和哈勃同樣也是猶太人。）於是他辭去哥廷根第二物理學研究所（Second Physics Institute in Göttingen）的所長職位，也導致他「因煽動反德宣傳」遭受嚴厲批判。
相較而言，海德堡的物理學研究所則改了個名稱，冠上了菲利普．萊納德（Philipp Lenard，宣揚推崇「亞利安物理學」的知名物理學家）的大名。萊納德和其他人以這個詞彙來說明「德國自然科學」和「猶太科學」是不同的，前者包括「觀察和實驗法，而且不含過度的理論構思或仰賴抽象數學建構」，也有別於其它如相對論等。
愛因斯坦所受的迫害早已開始。他遭受攻擊，大半是受國際盛名拖累。一九一九年十一月，愛丁頓宣布他的廣義相對論預測獲得實驗證實，為他贏來國際稱頌。早在一九二○年，納粹學生便破壞了一次柏林演講。一九二一年獲頒諾貝爾獎，提增了他在德國某些地帶享有的令名，同時也加深了他所遭受的苦難，此外他涉足猶太復國主義，也帶來了相同影響。每當愛因斯坦出國，當地大使館或領事館都會向柏林派送密報。
十年過後，納粹贏得大權，行動也不會再遲疑了。一九三三年一月，愛因斯坦離開柏林往訪美國。儘管面臨了好幾項私人問題，他依然宣布，只要納粹繼續掌權，他就不會回任柏林大學教職和威廉皇帝協會（Kaiser-Wilhelm Gesellschaft）崗位 。納粹還以顏色，凍結他的銀行帳戶，搜查他的房子，尋找傳言共產黨藏在那裡的武器，還當眾焚燒他撰寫的相對論通俗書籍。那個春天稍晚，當局發布了一份「國家敵人」清單：愛因斯坦的相片名列首位，照片底下還有一行文字──「尚未問絞」。最後，他在新近成立的普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study at Princeton）找到了棲身之處。新聞傳開之後，德國一份報紙刊出頭條：「愛因斯坦傳來好消息──他不回來了」。一九三三年三月二十八日，愛因斯坦辭去普魯士科學院（Prussian Academy of Sciences）的院士身分，不讓納粹開除他，結果他的前同事，沒有一個人挺身而出──連普朗克都沒有──抗議他所受到的對待。

帶著鑽石離散天涯
然而，當一九三○年代流逝，物理學──還有特別是E=mc2的蘊含──也開始醞釀出幾乎稱得上是天啟的重要意含。一九三三年，希特勒掌握大權之時，愛因斯坦並不是唯一去國赴美的德國物理學家──奧托．哈恩（Otto Hahn）在康乃爾大學（Cornell）講學。於是柏林老家威廉皇帝化學研究院（Kaiser Wilhelm Institute for Chemistry）只剩莉澤．邁特納（Lise Meitner）總攬其責。她是猶太人，不過是奧地利籍的，因此一時之間，還不受種族法律的影響。她看著前同事紛紛被迫離職或主動自行求去，包括經常和她一起彈鋼琴的外甥奧托．弗里施（Otto Frisch）。在漢堡任職的奧托遭到解僱，匈牙利籍猶太人西拉德同樣被開除，於是他「把終身積蓄藏在鞋子裡面」，去國前往英格蘭。
一九三六年，哈恩和邁特納由普朗克、海森堡和馬克思．馮．勞厄（Max von Laue）共同舉薦為諾貝爾獎候選人，顯然是想藉此來保護他們的猶太同僚 。這在那時已經不合時宜。邁特納已經在一九三三年遭柏林大學解僱，禁止她在科學會議上發言，而且她和哈恩共同開創的發現，也完全歸功於哈恩一人。不過在一九三八年之前，她依然能夠積極參與研究。然而當一九三八年三月德奧合併之後，她的保護傘也一下子遭移除。威廉皇帝化學研究院內的納粹同情者，不再費心斟酌他們的言詞。狂熱的納粹化學家，曾與邁特納共事多年的庫爾特．赫斯（Kurt Hess），宣稱「這個猶太女人危害這座研究院」。
身為院長，哈恩得告訴她，她必須離開，不過事情可不是那麼簡單。邁特納可說是德國當年最優秀的核子科學家，而且威廉皇帝協會總會長恩斯特．特爾斯喬（Ernst Telschow），還有諾貝爾獎桂冠化學家、全球最大化學廠法本公司的創辦人卡爾．博施（Carl Bosch）也都不希望她離開。旁人比她更早看出危險。任憑瑞士和哥本哈根都提出演講邀約──那其實只是幌子，目的是讓她能夠逃離──然而她卻繼續留在德國。
最後她決定前往哥本哈根，因為弗里施在那裡和波耳共事，那時卻已經太遲了：她申請丹麥簽證遭拒。當局決定不讓猶太人出國，散播不利帝國的言論，而且就邁特納的案例，如今我們知道，層級高達希姆萊。柏林威廉皇帝研究院彼得．德拜（Peter Debye）寫信給哥本哈根的波耳和荷蘭幾位同業，看能不能在旅遊禁令施行之前，找到一個看來不假的懸缺。
感謝荷蘭政府安排，最後終於在萊頓為她找到了一個不支薪的職位。即便如此，她的問題依然沒有解決。知道她偷渡計畫的只有四個人：德拜、哈恩、勞厄和保羅．羅斯鮑德（Paul Rosbaud）。羅斯鮑德是施普林格出版社（Springer publishing firm）的科學顧問，也是英國間諜。七月十二日，她在研究院正常工作到晚上八點。接著她下班回家，準備了兩個小型行李箱，前往哈恩家裡過夜（以防有人「來找她」），接著十三日白天也待在那裡。十三日夜晚，哈恩給她一個鑽戒，當作自己被迫遣散她的補償，也讓她有東西可以變賣。接著羅斯鮑德開車載她到車站，在那裡和一位荷蘭老朋友德克．科斯特（Dirk Coster）見面。科斯特是位物理學家，在為她確保萊頓職位上面發揮了重要功能。他們一起前往邊界。到這裡他們遇上了一支五人納粹巡邏隊，那群軍人拿著她的奧地利護照離開十分鐘。後來她說，那感覺就像十個小時，因為護照已經過期。不過那群人回來了，一語不發交還護照。那次其實十分驚險，因為赫斯，也就是認為一個猶太女人能危害研究院的那位狂熱分子，已經發現她突然缺勤，於是發出通知警告主管當局。他太遲了，莉澤．邁特納成功逃離，而且最後還發揮了決定性影響。

最早當愛因斯坦構思出他的相對論之時，多數科學家都認為，宇宙理所當然是靜態的。然而相對性要帶給天文學家一個驚奇：愛因斯坦的方程組預測，宇宙要嘛就會膨脹，不然就會收縮。結果看來十分詭異─就連在愛因斯坦眼中也是如此─於是他拿自己的計算結果來修修補補，好讓他的理論宇宙能夠屹立不搖。
亞歷山大．弗里德曼（Alexander Friedmann），出身聖彼得堡的俄國年輕科學家（而且部分時間投入飛熱氣球），第一次世界大戰戰後（戰時他擔任轟炸機飛行員）才得知愛因斯坦的理論。即便如此，他仍是最早讓愛因斯坦反省檢討的第一人。弗里德曼自...

《大轉折》是講現代科學的歷史，不過帶了特殊的轉折。該轉折始終在那裡，所有人都能看到，然而迄今它還不曾得到應有的機會來清楚鋪陳，一展身手。論述重點在於，各不同學科──儘管起點各自迥異，感興趣的領域顯然也各不相同──在過去一百五十年間，已經逐漸彙整統合。這樣的會聚和融合，驗證了一項出奇的宏大敘事，那是一則交互聯鎖、令人透不過氣的連貫故事──宇宙的歷史。它的諸般成就當中，有一項是發現了物理學和化學的緊密關聯；同樣的，量子化學和分子生物學也有雷同牽連；而粒子物理學一直和天文學及演化宇宙的早期歷史比肩同行。另外，小兒科透過動物行為學的洞見增補充實；心理學與物理學、化學，甚至經濟學，皆相輔相成；遺傳學始終與語言學協同一致；植物學同調於考古學，氣候學則可借鏡神話⋯⋯等等。大歷史──世界偉大文化發展軌跡的宏大敘事──業已解釋清楚，如今也進一步由交互聯鎖的科學來增補細節。這是個單純的洞見，卻也促成影響深遠的成果。誠如諾貝爾獎得主溫伯格所述，會聚是「宇宙最深奧的事」。
到頭來，這則科學會聚故事──它們的綜合、聯合和同調性──便產生出一段歷史時間軸，而且歷來所有的主要發現，全都可以納入其中。這完全不是一條直線，不過仍是一條清楚分明的線，而且與非常長、非常複雜的脊椎或脊柱（由大小不等的脊椎骨構成的彎曲骨骼）不無相似。我進一步論述，從這種會聚浮現的條理秩序──以及一門科學支持另一門的方式──為科學理解帶來一種無可比擬的權威，讓它成為一種可信的知識，因此我們也該預期，它當能在往後歲月拓展它所及範圍，涉入傳統上與科學並無關聯的領域。事實上，它已經在這樣進行了，而且我們應該欣然接受這一事實。科學業經證實的交互聯鎖本質，如今確實有助於引領未來的研究。
故事各環節和重疊部分並不全都同等強而有力。波耳合併物理學和化學是個根本基礎，後來萊納斯．鮑林（Linus Pauling）等人將量子化學與分子生物學連結起來，即是如此。更晚近幾十年來，基本粒子與演化宇宙早年歷史的連結（見第十一章），以及心理學的「硬科學轉變」（例如，行為和腦化學之間的連結）也是同樣的根本基礎（見第十六章）。至於遺傳學和考古學之間，還有遺傳學和考古學、語言之間（見第十二章）所展現的重疊現象，亦有相同情況。就其它時候，這種重疊──儘管並不完全微不足道──就比較有用、耐人尋味，而不是那麼基礎了。樹輪年代學是個很恰當的例子，目前開發出的其它某些科學定年技術也是如此，好比鉀—氬定年法（potassium / argon method）（見第十二章）。這些做法證明，不只植物學能幫我們重建歷史，物理學、分子生物學和遺傳學也都辦得到。重要的是，不同的定年機制是相互一致的，所以如今歷史（特別是古代史）已經是一門跨學科的科學分支。
不過，現在就進入基礎要點，所有的關聯和重疊，所有曾經披露的模式和層級，不論是不是根本基礎，概念上全都契合在一起。沒有例外，至少沒有重大例外。我們發現科學一再以種種方式彙整統合，彼此相互撐持，道出一則前後一致、節節貫串的故事。以另一種比喻來講，當不同章節彙整統合，形成一則確鑿的敘事，這則故事也彷彿有了它自己的重力──就像降溫氣體中的粒子。
那段敘事從一百三十八億年前，大霹靂宇宙初始階段，一路鋪陳到基本粒子創造出現，接著形成較輕的化學元素，然後是較重的化學元素，以及恆星和行星的形成，其中也包括我們的太陽；宇宙寬廣結構的演化（星系的布局方式），凝結組成地球岩石的氣體演化，還有這些岩石如何以現有方式呈現，地球如何隨歲月演變，冰河期如何出現、退卻，各大洲為什麼如現狀般分布全球，各海域洋流為什麼以特定樣式環繞地球；還有原始生命形式在何時演化出現，更複雜的分子和有機生物，怎麼會落實成真，性是如何演化出來的，為什麼樹木和花朵呈現如今這種樣式，為什麼葉片是綠色的，為什麼有些動物有六肢，有些則為四肢，為什麼植物和動物（包括人類）如現今模式遍布全球；重大災變如何促成了流傳廣泛的神話，塑造了我們的信仰，準確性如何發展出現而且變得重要，科學本身如何、為何、從哪裡浮現，最終（迄今）在人類與遍布全球、非常不同的文明達到鼎盛高峰。沒錯，這一則故事告訴我們，為什麼如今在全球一如現狀遍布了不同的文明。科學的會聚，協助我們解釋了歷來最壯闊的一則故事──大歷史。

《大轉折》是講現代科學的歷史，不過帶了特殊的轉折。該轉折始終在那裡，所有人都能看到，然而迄今它還不曾得到應有的機會來清楚鋪陳，一展身手。論述重點在於，各不同學科──儘管起點各自迥異，感興趣的領域顯然也各不相同──在過去一百五十年間，已經逐漸彙整統合。這樣的會聚和融合，驗證了一項出奇的宏大敘事，那是一則交互聯鎖、令人透不過氣的連貫故事──宇宙的歷史。它的諸般成就當中，有一項是發現了物理學和化學的緊密關聯；同樣的，量子化學和分子生物學也有雷同牽連；而粒子物理學一直和天文學及演化宇宙的早期歷史比肩同行...

導讀　會聚在《大轉折》中的當代科學大都會 陳瑞麟
前言　會聚──「宇宙最深奧的理念」
緒論　「可觀測世界的統一性」
第一部　有史以來最重要的統一思想
第一章　「歷來最宏偉的廣義化」
第二章　「一舉統一了生命、意義、目的和物理定律」
第二部　物理定律的長程影響
第三章　元素模式的底層之下
第四章　空間和時間，以及質量和能量的統一
第五章　物理和化學的「美滿姻緣」
第六章　化學和生物學的相互作用—「兩個國度的密切關聯」
第七章　科學運動統一論—「整合是新的目標」
第八章　哈伯、希特勒、廣島—愛因斯坦的統一努力獲得平反
第三部　「物理科學對生物科學的友好入侵」
第九章　加州理工學院和卡文迪許—從原子物理學經由量子化學發展到分子生物學
第十章　生物學，「最統一的科學：從還原到組成的轉換」
第四部　從礦物質到人類的連續體
第十一章　物理學＋天文學＝化學＋宇宙學—第二輪演化綜論
第十二章　地球傳記—地質學、植物學、語言學和考古學的統一年表
第十三章　新學科間的重疊—動物行為學、社會生物學和行為經濟學
第十四章　氣候學＋海洋學＋人誌學→神話＝大歷史
第十五章　文明＝地理學、氣象學、人類學和遺傳學的協作成果
第十六章　心理學轉為硬科學，以及與經濟學的整合
第十七章　最終統一之夢—物理學、數學、資訊和宇宙
第十八章　自發秩序—分子的架構、演化新模式和量子生物學的興起
第十九章　藝術、物理學和哲學的生物學根源，社會物理學、神經學和自然
結論　重疊、模式、階層—預先存在的秩序？
致謝

導讀　會聚在《大轉折》中的當代科學大都會 陳瑞麟
前言　會聚──「宇宙最深奧的理念」
緒論　「可觀測世界的統一性」
第一部　有史以來最重要的統一思想
第一章　「歷來最宏偉的廣義化」
第二章　「一舉統一了生命、意義、目的和物理定律」
第二部　物理定律的長程影響
第三章　元素模式的底層之下
第四章　空間和時間，以及質量和能量的統一
第五章　物理和化學的「美滿姻緣」
第六章　化學和生物學的相互作用—「兩個國度的密切關聯」
第七章　科學運動統一論—「整合是新的目標」
第八章　哈伯、希特勒、廣島—愛因...