1902 年諾貝爾物理獎：你是電、你是光，你們解開電磁的神話—《物理雙月刊》

中國是四大古文明之一，有著一段輝煌的天文觀測史，帶來精密的曆法、博大的哲學與玄妙的星象文化。其中，戰國至漢代為中國宇宙論發展最為迅猛的時期，部份觀念甚能先進於中、近古的西洋。當我們回首這些朝代的興衰遞嬗，不僅補苴思想史與科學史的罅漏，更能以此反思漢代以後國人精神世界何以飽和、枯竭。

中國古代主要的宇宙論有三家：「蓋天」、「宣夜」與「渾天」。以現代觀點而言，宣夜描述宇宙本質，渾天解釋繁星運行，蓋天與渾天可參照西方地心說（天動說）。

蓋天說 穹頂下的大地

「蓋天說」是中國最早的宇宙模型，認為「方屬地，圓屬天，天圓地方」^{註 1}，即「天圓地方」、穹廬狀的天覆蓋方形的地。

到了戰國時代，蓋天說開始受到質疑，如《大戴禮記》中就記載，曾子曾提到：

天之所生上首，地之所生下首，上首謂之圓，下首謂之方，如誠天圓而地方，則是四角之不揜也。^{註 2}

意思是「圓天」與「方地」的形狀無法契合。

到了戰國晚期，蓋天說被修正為「天似蓋笠，地法覆槃」^{註 3}，即天與地為平行的拱面；另種說法是天與地是平行的平面，由八根「天柱」支撐。傳說中的水神共工，就是在與顓頊爭奪王位失敗以後怒撞了天柱之一的不周山，導致「天」傾斜，也就有了「女媧補天」的故事。

然而，無論「地」是什麼形狀，星體將永遠處在人類能看見的範圍，並不符合天體東升西落的觀測結果，「漢賦四大家」之一的揚雄寫的《難蓋天八事》就否定了蓋天的說法。儘管到了西晉時期，仍有虞聳的「穹天說」來繼承蓋天理論，但在愈發廣大而精確的觀測數據面前，蓋天說已是落日餘暉。

宣夜說 由「氣」推動的無邊宇宙

「宣夜說」，則認為宇宙無邊無際，而「氣」推動宇宙的運行。這樣的想法受道家宋鈃、尹文的影響，即「氣」為萬物本源。《莊子．逍遙遊》中寫道：

天之蒼蒼其正色邪？其遠而無所至極邪？

其中便隱含宣夜的概念。

如今的我們認為宇宙雖非無限大，卻沒有邊界與固定形狀，這點與宣夜說相同，儘管這樣的理論在觀測實用上不如蓋天說與渾天說。

宣夜說對於天體生成的理論，也與今日意外巧合。《列子．天篇》就提到：

日月星宿亦積氣中之有光耀者。

而在現今的天文學概念中，恆星確實是由氣體聚集、壓縮而成。

神秘的宣夜說在戰國以後逐漸失傳，到了東漢時只剩郄萌一家。還有西晉楊泉《物理論》寫道：

發而升，精華上浮，宛轉隨流，名之曰「天河」，一曰「雲漢」，眾星出焉。

也繼承宣夜說。至於「氣」與宇宙論的建構工作，就由渾天說繼續發展。

渾天說 最接近真實宇宙面貌的一刻

「渾天說」主張宇宙是個完整的「球體」，而非蓋天說的「半球體」，而地球處於這個球體之中，這個說法較接近現代的天文學理論。同樣受道家的影響，渾天說的宇宙組成裡，「水」與「氣」是重要的概念。

這個概念最早可見於戰國楚地竹書《太一生水》與《恆先》^{註 4、註 5}，同期的魏人石申與齊人甘德也依渾天之說，設計出最早估算天象的「渾儀」。

漢武帝的年號「太初」顯然受到渾天說的影響，也正是於此前後，渾天說逐漸取代了蓋天說的地位。此後，仍有不少關於「氣」的零星論述，如西漢末年的《易緯》、東漢王充的《論衡》、《白虎通》。

而東漢科學家、「漢賦四大家」的張衡集渾天說之大成。他設計了以水為動力、並加入地平圈和子午線的「渾天儀」，其著作《渾天儀》與《靈憲》分別繼承了「水」與「氣」的學說。可惜《渾天儀》如今已失傳，只能從晉人的《渾天儀注》中略窺一二。

此外，《晉書．天文志》中寫到：

宣夜絕無師承，周髀多所違失，惟渾天得近其情。

而唐代的方炯也寫了《渾天論》來駁斥蓋天和宣夜的理論。由於哲學理論與文人的支持，渾天說力壓其他兩者，逐漸成為中國宇宙觀的主流。

雖然未有數學化的觀念，但中國宇宙論卻如此接近事實。然而，為何在漢代以後就再也沒有巨大斬獲、進而造就西方那般的天文革命呢？

農民曆的出現與天文觀測的式微

明代的顧炎武在《日知錄》中提到：

三代以上，人人皆知天文。「七月流火」，農夫之辭也；「三星在戶」，婦人之語也；「月離於畢」，戍卒之作也；「龍尾伏辰」，兒童之謠也。

此處的「三代」指的應該就是堯、舜、禹，其中不難見到：由於農耕需求，上古時代的天文學經驗迅速積累，如被認為可能是堯都平陽的山西陶寺遺址，就有著中國最古老的觀象臺（約建於西元前 2100 年）。

《尚書．堯典》也說道：

（堯）乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授人時。

日中，星鳥，以殷仲春。

日永，星火，以正仲夏。

宵中，星虛，以殷仲秋。

日短，星昴，以正仲冬。

這些都可以看出，上古的四季是由「星宿」來定義；大火星（心宿二）也十分重要，用以判斷入秋的時間，《史記》就記載了堯曾封商人始祖契於商丘，任「火正」，負責觀測、祭祀大火星。

由此可知，古代人由於生產勞動的需要，人們「時間」和「季節」的掌控非常重要，因此必須研究天文和曆法。然而，自從夏后氏制定《夏小正》開始，農民曆的出現，大大減少了觀星的必要。

此外，受到文化變遷的影響，漢代以後的天文學更開始攙入「讖緯之學^{註 6}」，「宜」、「忌」觀念深植人心，造成西周的人文精神與東周的理性精神逐漸喪失。雖然漢代天文學仍有極高成就，但究其根本，仍是奠基於戰國天文哲學的實際觀測結果，宇宙論體系的成長已相對趨緩。

然而，這是中國宇宙學或天文觀測沒落的主因嗎？

知識份子的胸懷

事實上，王充的《論衡．譏日篇》批判了當時的迷信氛圍，就是理性精神未被「讖緯」的飛沙走石淹沒的中流砥柱。一種學說，或者一種學術風氣的興衰下，最重要的還是知識分子的胸懷，縱使國家學術風氣有了些許問題，只要那些文人持續發聲，那麼企圖尋求真知的風尚就能成為銅山鐵壁，所有挑戰相形之下悉如熒光單薄，被穆穆的清風飄颻殆盡。

不幸的是，隨著朝代的遞嬗，「儒學」逐漸成為讀書人的唯一；唐代科舉猶有「明算」科，元、明以後的四書五經則已佔據了一切，清代更把僅存的儒學凍結為僵化的「樸學」。於是，讀書人的視野預漸狹隘，那片遙遠的星河漸行漸遠，把滋養科學革命的后土，拱手讓給了西洋。

註解

1. 出自《周髀算經》卷上之五。
2. 出自《大戴禮記》《曾子天圓》之一
3. 出自《晉書》《志第一 天文上》之八。
4. 張佑任（2021），郭店楚簡〈太一生水〉之宇宙論。《哲學論集》，53（p33 – 53）。
5. 丁四新（2018），楚竹书《恒先》的三重宇宙生成论与气论思想。《中国哲学》，2018 年 01 期。
6. 讖緯之學：一種政治預言。「讖」是假藉上天的預言來達到政治目的，通常會加上圖作配合，稱為「圖讖」。 「緯」則是假藉孔子的言論所偽造出來的典籍，是真正記載孔子言論的「經」相對，所以也稱為「緯書」。 「讖緯」是一種用來凸顯帝王政權合理化的工具，盛行於西漢末年。

功與工作

有些大家慣用的字彙常常會被專業學科借用，專家賦予這些字新的定義，比平常的意思更具體、也更有技術性。物理學有個例子是「功」（work）。如果向一個粒子施加定力，並推動一段距離，你所做的功就定義為施力（沿著粒子運動方向的分量）乘上粒子移動的距離。

這是個很具體的物理量，實際上也是能量的一種形式。做多少功，物體的能量就會增加多少。顯而易見的，這個定義和日常生活中我們對工作（work）的理解有點相關：世人為了完成一些目標（大多是想獲取金錢報酬），而費心費力工作。

不過，物理所講的功有明確的意義，使用的範圍也很清楚；相較之下，平常大家說的工作的意思就有些模糊，泛指很多事情。

動力與動量

動量（momentum）這個字看來不太一樣。物理學的動量是 γmv（相對論的珈瑪符號乘上物體靜止質量、再和物體速度相乘），是一種量化方式，用來描述粒子以已知速率往某個固定方向持續前進的傾向。若粒子的速率遠比光速小，γ會非常接近一， 所以能省略掉。

而更廣義的動力（momentum）用來指稱政治運動，或其他社會變動及政策背後的推力。同樣的，一件事的動力愈大，也暗示它愈難停下。不過，這些領域都沒有明確定義何謂「動力」。

物理學中的「場」

到目前為止，我試著不要太常用一些字，但在之後的章節這些字會很常出現。其中一個就是「場」（-eld）。通常場是一片平坦土地的代稱，上頭種了些植物，可能有農夫在照顧，也許還會有幾頭乳牛。

此外這個字也可以代表特定的研究領域或專業，往前翻你就會知道我已經用過這個意思了。這兩個意思其實也可以合併使用，像在解釋稻草人為什麼可以獲得終生教職的時候，就會用到。

物理學的「場」有個更技術性，但還是和前面意義相關的定義。物理學家說的場是個物理量，在空間中某個區域的每個點上都有特定的對應值。如果你待在一個房間內，就可以用各式各樣的場來描述這個環境。身為一位物理學家，你或許會這麼做：

首先你要想出一個方式來明確指出房間中的每一個點。有個好辦法是先選定房間地面的某個角落為「原點」。

然後選取交於原點的其中一個牆面，沿著地面平行於這面牆的方向走過一段距離（稱為x）；接著再順著平行另一面牆的方向走一段（稱為y），你就能碰到地上所有的點。進一步的，只要往上走段距離（叫作z），就可以抵達房間內所有的點了。你需要的只有三個數字：x、y、z。

幾種有用的場

現在可以來談談幾種有用的場了。舉例來說，溫度就是一種場，房間裡的每一點都有一個溫度值。假設平均來看，我們說房內的溫度是攝氏二十一度；如果房間中每一處的溫度都和平均值一樣，那麼你得到的就是一個常量場（constant field）：場的值和點的位置無關，也就是和x、y、z沒有關係。

然而，天花板附近的溫度很有可能比地面的高出一點，因為熱空氣的密度比冷空氣小，會升向天花板。我們可以用某個場來描述溫度與高度的關係，好比T(z)，換句話說，溫度T只和高度z有關。

T是z的函數（function。另一個生活常用字「功能」，這次是被數學家借去用了），可能像T(z) =20.5 + 0.5z，這裡的z以公尺為單位、而T以攝氏溫標（℃）為單位，舉例來說。在兩公尺高的房間內，地面的溫度是 20.5 + 0.5×0 = 20.5℃，而天花板的溫度則是 20.5 + 0.5×2 =21.5℃。

至於天花板和地板之間其他每一點的溫度，都可以用這個溫度場的函數計算出來。其他的場可以用來描述不同的事情，好比空氣密度，或甚至是噪音量。

以上所談的場在每個點都只由一個數字代表。這些場有大小，卻沒有方向。因此我們稱它為「純量場」（scalar -eld）。「純量」（scalar）代表只有大小、卻沒有方向的東西。

某些種類的場則擁有方向，我們叫這種場為「向量場」（vector field）。我之前有提到一些向量場的例子，像是大型強子對撞機的磁鐵製造的電場與磁場。這個房間也有重力場這個向量場。重力場在房內的每一點都有個值（力的大小大約是每公斤九．八牛頓），以及方向（指向地面）。

實際上，電場和磁場都是量子場，重力場可能也是，但科學家還不清楚相關理論。在日常用途中這件事常被忽略掉，但如果你在極小的尺度下觀察這些場，就會發現它其實不是個數值連續體，而是底層的量子場中一連串離散（discrete，意思是不連續，如階梯般一級一級，而不是如漸層色彩一樣柔和變化）的量子、或激發（excitation）的總和（疊加）。

這些激發有點像是波又有點像粒子。電磁學的量子理論―量子電動力學擁有兩個場，分別是光子場以及電子場。我們量測到的電磁波，或是獨立的光子及電子，都是這兩個場的激發。這裡我們又看到一個科學家借用日常名詞的例子。很明顯「激發」和平常我們的用法緊密相關，因為量子場論是個扣人心弦（exciting）的理論。

無論是不是量子理論，場的概念都是一樣的。場是個物理量，在你感興趣的空間範圍內的每一點，都擁有對應的值，可能是單純的數值或是很多個量子的總和。

——本文摘自《撞出上帝的粒子：深入史上最大實驗現場》，2022 年 12 月，貓頭鷹出版，未經同意請勿轉載。

時事話題

NEWS｜在課堂介紹電磁波概念時，有位同學佳琦舉手提問筆者：「老師，用悠遊卡刷進捷運站非常方便，那個背後的原理和電磁波有關嗎？」另一位同學婕妤回答：「應該是悠遊卡會發出電磁波，傳遞訊息到門閘的感應器吧？」

悠遊卡如今早已融入臺灣大都會的生活中，不論是捷運、超商、購物或搭乘公車，悠遊卡在手，便利許多。然而，悠遊卡內並無電池，也不需要插入讀卡機，為何能夠溝通而傳遞資訊呢？

為何沒裝電池的悠遊卡可以產生電流？

悠遊卡系統主要是應用法拉第電磁感應定律來辨識與傳遞資訊，此與無接觸感應技術有關，該技術稱為「無線射頻辨識系統」（radio frequency identification，RFID）。完整的一套無線射頻辨識系統，是由讀卡機（reader）、電子標籤（tag）和應用程式資料庫電腦系統部分所組成。

運作過程先由讀卡機發射一特定頻率的無線電波能量給電子標籤，藉此驅動標籤內建電路，輸送內部的身分代碼，以開啟溝通之路。

若以法拉第電磁感應的物理概念解釋，讀卡機產生變動磁場， 同步提供電子標籤變動磁場，驅動電子標籤產生感應電流，也就是讓悠遊卡內部迴路產生感應電流，並讓電子標籤發送身分代碼訊息給讀卡機，也即驅動內部晶片能夠發送訊號，讀卡機依序接收資訊、解讀此身分代碼，再透過應用程式資料庫系統讀取悠遊卡內的晶片資料，完整達成溝通與解讀任務。

每一張悠遊卡都有獨立的電子標籤，當卡片靠近悠遊卡標誌的磁場感應範圍內，即可透過電磁感應的原理，驅使電子標籤內的線圈產生感應電流，此電流供應電子標籤傳送資訊至讀卡機，以解讀晶片資料。

或許讀者會好奇，沒有電池的悠遊卡怎麼產生電流呢？這個問題也需要以法拉第電磁感應定律說明。

依法拉第電磁感應定律，悠遊卡的線圈迴路會因為磁場強弱的變化，以及通過的面積區域、角度變化而產生類似電池驅動電流功能的「感應電動勢」，或稱為感應電壓。此感應電壓大小與線圈匝數及每匝線圈中磁場隨時間的變化率有關。匝數愈多，磁場變化率愈大，悠遊卡迴路中的感應電壓愈大，產生的感應電流就愈大。

因此，悠遊卡雖然沒有內建電池，但可以透過電磁波的應用，採用無線射頻辨識系統，在運作時，讀卡機持續發出電磁波，當卡片接近時，其內部線圈產生感應電動勢，再進一步驅動感應電流。此感應電流讓卡片內的晶片發出電磁波，回傳必要的資訊給讀卡機，完成感應過閘的流程。

以臺北、臺中和高雄的悠遊卡來說，採用的是無線射頻辨識系統模式，屬於比較低頻率的電磁波，卡片必須距離讀卡機約 14 公分內，才能讀取卡片的晶片資料。因此若將悠遊卡裝在比較厚的皮夾或兩張磁卡疊在一起，可能無法第一時間完成讀卡，而形成「卡片無法讀取」的「卡卡」現象，建議單純使用悠遊卡過閘，較能順暢通過閘門。

其他如進出家門的感應磁扣、停車場的票卡、信用卡感應支付、國道收費系統 ETC 等，皆是應用無線射頻辨識系統 RFID 的技術，只不過國道收費系統 ETC 的感應器的感應距離約需 60 公尺內，才能順利讀取通過車輛的相關資訊。

物理小教室

• 手機行動支付的物理學原理

手機支付的運作原理也是基於 RFID 發展而出的近場通訊（near-field communication，NFC） 技術。目前近場通訊技術採用頻率為 13.56 MHz 的電磁波，以 106 kbit/s、212 kbit/s 或 424 kbit/s 這 3 種速率傳輸資料，bit 翻譯為位元，是電腦資料的最小單位。

利用手機支付時，須靠近刷卡機約 4 公分距離內，此時可藉由電磁波傳遞相關資訊，完成付款手續。近場通訊技術不只有用在手機支付， 也可運用傳輸文字、照片、音樂檔案，是目前手機常見的內建功能。

• 電磁感應的進階說明

電動勢（electromotive force, emf）可以驅動導體內的電荷移動， 產生電流。電池因為內部材料的屬性，會在正負極產生固定的電位差或電壓。電動勢是電池正負極間的電位差，也常稱為電壓，其國際單位制（SI）單位為伏特（V）。

導體內的電流與電壓成正比，假設導線的電阻及電池的內電阻都可略去不計，電路中流動的電流是電壓與電阻相除後的數值。可知電池的電動勢，可以驅動迴路上的電流，讓燈泡發光發熱。

然而，一個未接電源的迴路導線圈，可不可能產生電流？可以。若是通過迴路導線圈的磁場變化或磁通量改變，也會產生感應電流，這是發電機的原理，也是物理學家法拉第和冷次的電磁感應概念。

電磁爐和捷運列車的磁煞車也是運用電磁感應的概念。電磁爐內部的主要構造是由絕緣體包覆的導線環繞的線圈，當交流電通過線圈時， 電磁爐表面就會產生隨時間改變的磁場，這個磁場的變化會同時在鍋子底面產生應電流，再透過電流熱效應加熱鍋子，也加熱食物。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》，2022 年 11 月，商周出版，未經同意請勿轉載。