《囧男大爆炸》：綻放靈感與笑聲
我在英國擔任物理學博士後研究員時，開始看美國處境喜劇《囧男大爆炸》。我在2013年回到香港工作後，《囧男大爆炸》繼續是我晚間娛樂的首選。
我曾在英國任職博士後研究員兩年半。那時候，我完成每日的研究工作後，便獨自回家，身邊沒有家人和當時的女友，即現在的妻子。其後，我開始收看美國處境喜劇《囧男大爆炸》。那是一套風趣幽默的電視喜劇。故事圍繞兩名天才物理學家：一個是理論物理學家，另一個則是實驗物理學家，其他人物還包括他們漂亮而又滿有生活智慧的鄰居，以及他們的航天工程師和天體物理學家朋友。這齣電視劇令我捧腹大笑，有助我化解一個人獨在異鄉的苦悶。
這套處境喜劇非常成功，吸引到大批觀眾收看。其在2007-2019年播映時，更持續雄據美國全國收視榜冠軍。其中一名主角謝爾登高柏博士 (Dr Sheldon Copper) 還啓發了許多年輕人修讀物理。飾演加州理工學院 (Caltech) 理論物理學家高柏博士的占帕森斯 (Jim Parsons) 亦四度榮獲黃金時段艾美獎 (Primetime Emmy Awards) 的最佳男主角。作為一名物理學家兼物理教育工作者，見到以物理學家為題的娛樂節目有如此卓越的成就，我亦感到相當高興。這證明了物理除了奠定了自然科學的研究基礎外，也能給人們帶來歡樂。
除了歡笑，這齣電視劇也令我更深刻反省甚麼是物理，以及物理學家究竟追求些甚麼。在其中一集，實驗物理學家里安納 (Leonard) 的女朋友潘妮 (Penny)向謝爾登求助。潘妮滿有生活智慧，但卻不明白她男友里安納的工作，為了能與男友有更多共同話題，她向謝爾登請教里安納究竟做甚麼研究。熱衷指導潘妮的謝爾登，沒有直接回答潘妮的問題，卻為她度身訂造一個物理學入門課。他指出物理學源於古希臘「physika」一字，意思是研究自然事物的科學。他繼續向潘妮說明，在約公元前六百年的古希臘，一個和暖的夏季晚上，人們抬頭仰望夜空，發覺到有些星星似乎在移動，於是就叫它們為「Planetai」，即希臘文的流浪者。而物理學就是這樣開始。
電視劇《囧男大爆炸》中的理論物理學家謝爾登嘗試啟發立志成為女演員的室友潘妮，並告訴對方物理學是來自古希臘字「physika」一字，意指研究自然事物的科學。 Photo sources: screen cap from youtube. 相片源自youtube截圖
謝爾登這個簡短的物理課堂，很快就由物理學如何於古希臘首次出現的故事，發展至牛頓的作用力等於質量乘以加速率的第二運動定律(Force=Mass X Acceleration, F=MA)。對物理毫無認識的潘妮當然跟不上這堂極速課。謝爾登不但沒有理會潘妮漠不關心的反應，甚至更進一步要潘妮回答一個與第二運動定律有關的例子，以測試她是否真正了解牛頓的方程。潘妮對牛頓以至其第二定律一無所知，於是便隨意回答，卻因而惹來謝揶揄她有否最近碰傷頭部。之後，兩人又再次如常爭論起來。
主角謝爾登擁有一般電影描繪典型物理學家的古怪個性。他雖然異常聰明，但卻總是以學者口吻及客觀態度陳述自己的論點；謝爾登缺乏同理心，令他未能與別人聯繫。他執著於自己的做事方式，對別人的看法，總是以冷嘲熱諷的態度來批評，因而一直使他跟身邊的朋友發生衝突。與謝爾登超凡的物理學能力與豐富的物理知識相比，潘妮對物理學可謂完全無知。天才謝爾登和凡人潘妮一起時就會相互碰撞，引發出滑稽和搞笑的場面。事實上，該劇在角色性格和角色間的互動方面有細心的設計，謝爾登與潘妮的配搭就是其中一個亮點。每當這對活寶貝出現時，都如魔法般能令觀眾笑不攏嘴。
「何為物理？」是我經常想向學生提出的首要問題。
電視劇中謝爾登與潘妮，天才與門外漢的強烈對比，經常令我開懷大笑。歡笑過後，我想到若在我教的物理課中的首堂上播放上述橋段，或能刺激學生思考甚麼是物理學。事實上，「何為物理？」是我經常想向學生提出的第一條問題。無論如何，我相信這電視節目最少能夠吸引到學生的注意，令他們投入課堂。結果，當我在課堂上播出上述橋段時，學生們傳來不斷的笑聲，證明這次實驗是成功的。
那麼，究竟何為物理學？簡單而言，物理就是有關物質世界的基本法則的學科。每當提到物理，人們往往想起力學、電磁學、相對論以及量子力學。這些對物理學的的認知非常陳腔濫調，我想物理學的世界遠大於此。我的博士課程研究焦點是統計物理學；統計物理提供非常強而有力的工具，解釋傳統物理學領域以外的現象。我做研究時，花了大部份時間把統計物理學理論應用在分析金融市場及交通網絡上。不單只一般人認為這些題目與物理無關，與我同期的研究生也提出相類似的疑問。
在2009 and 2011年期間，我在瑞士弗里堡大學 (University of Fribourg) 的物理系任職博士後研究員。弗里堡鄰近愛因斯坦位於伯爾尼(Bern) 的故居。 為了向人類史上其中一名偉人愛因斯坦致敬，我在瑞士工作期間曾多次到訪他的故居。
我現在能肯定地對他們說我從事的跨學科研究是物理。
我最初展開博士研究時，也曾問自己，到底我從事的這種跨學科研究是否屬於物理；當時，要回應朋輩對此的質疑，亦感到為難。然而，經過多年來的研究與教學，或許亦因為電視劇《囧男大爆炸》給我的啟發，我現在能肯定地回答，我從事的跨學科研究是物理。我更認為，統計物理應被視為物理學的一個重要部份，其地位與其他為人熟悉的物理學分支等同。統計物理學的研究突破，與量子力學或天體物理學的發現，同屬對於自然界的基礎研究。究竟甚麼經歷驅使我想法和態度的改變？回答這個問題之前，或許我應先討論何為統計物理。
不是許多人意識到在他們活著的每個時刻，其實都吸入了大量的空氣份子。只要略為計算，便可知道一立方米的空氣所包含的空氣份子起碼達 1023 ；那是一個有23個「零」的天文數字。
我們只需運用在中學時學到的物理概念，便可輕易預測到單一空氣份子的運動模式。然而，真正影響我們的是宏觀物理量(macroscopic physical properties)，如氣溫及氣壓，那就關乎所有份子的集體運動，而非他們的單一運動。這就是統計物理學大派用場的地方。因為結合統計學、古典物理與量子力學等學科的知識，統計物理能把單一空氣份子的微觀運動及如氣壓一樣的宏觀物理量連繫起來。
那麼，何解交通網絡也是物理學的研究範疇？試想像我們正在高速公路上駕車，作為一名駕駛者，我們會因應周邊車輛的情況而作出反應。當路面暢順時，我們會以合理的車速行駛，並與前面的車輛保持一段安全的距離。然而，當情況由暢通無阻變成交通擠塞時，我們便需要慢駛，跟隨車龍，當前面的車輛移動才可前進。如果我們想了解改變的原因，知道個別車輛如何行走是不足夠的，我們需要掌握交通擠塞時所有車輛的集體移動狀況。單一車輛運動與整體交通狀況的關係就好比單一空氣份子與氣壓的關係。與空氣份子的研究一樣，統計物理學能連繫單一車輛的微觀移動與交通擠塞的宏觀現象。
量子力學或相對論無疑為漫畫和電影等流行文化提供了許多想像空間，所以便成為了公眾對物理的形象。然而，物理研究又豈止這些範疇？有不少學者和研究員一直在其他地方，包括我所屬的統計物理學中，默默耕耘。他們對提升人類對自然界認識的貢獻，絕不下於量子力學及相對論研究的理論物理學家。畢竟，物理學的終極目標就是要尋找解釋自然現象的方法。
人類持續追求埋藏在自然界背後的基準真相
所有朝著這個目標，致力認識自然的人，包括研究物體的規律 – 不論物體是大是小，又不論是研究物體的個別或集體現象 – 這些人，即使他們是在傳統物理學範疇以外努力，都應被視為及稱呼為真正的物理學家。基於這份信念，我認為以統計物理學角度研究金融市場行為以及交通網絡，跟其他傳統物理學研究的地位相同。現在，我就是這樣看待物理學和物理學家。
人類堅持發掘埋藏在自然界背後的基準真相令我為之著迷。當我教授古典力學或科學性質時，便時常以伽俐略為例，說明人類對知識和真相鍥而不捨的追求。許多人都知道，在伽利略伽利萊(Galileo Galilei, 1564 - 1642)生活的時代，地心說是主導想法，即人們普遍認為地球是宇宙中心。早在伽俐略之前，尼古拉哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473 – 1543)便已提出一個以太陽，而非地球為中心的天文學模型，當中亦有其他星體同時圍繞著太陽旋轉。基於他個人的觀察，伽俐略認為哥白尼的日心說模型更為正確。
當時的羅馬天主教教廷把地心說定為教條。伽俐略這名義大利天文學家兼發明家知道，提倡日心說會被視為挑戰教廷，並會為他帶來嚴重的後果。伽俐略最終遭教廷軟禁，並被迫令撤回日心說理論。儘管遭遇挫折，他仍設法鼓勵他人繼續研究及發掘更多支持日心說的新證據。隨著有越來越多觀測支持日心說，教廷最終在伽俐略離世接近二百年後摒棄地心說的教條。
雖然伽俐略為日心說的主張付出了無比的代價，但傳說他在比薩斜塔之顛所進行的實驗卻為他嬴得家傳戶曉的名聲。過去，人們一直認為物件越重，下墜的速度就越快。據說，伽俐略於是從塔頂掉下重量不同的物件，以證明不論重量，所有物件都同時墮地。縱使許多學者對這個故事抱有傳疑，伽俐略比薩斜塔的實驗卻獲得世代以來的科學家、工程師及探險家所注意。1971年，當阿波羅15號進行登月任務時，太空人大偉史考特(David Scott)便用了羽毛及錘子來驗證伽俐略提出的等重力理論。史考特的實驗顯示在月球無空氣阻力的情況下，物件會以同樣的速度下跌。這名博學多才的義大利科學家對科學的貢獻，終於在他逝世超過三百年後得到垂青。
英國理論物理學家彼得希格斯(1929-2024)。於1964年，希格斯預測到新的基本粒子的存在；這就是眾所周知的希格斯波色子(Higgs Boson)。 相片來源：科學相片圖書館／Alamy庫存照片
另一個展示人類堅持追求真理的例子就是希格斯波色子，或稱「上帝粒子」的發現。一群包括英國理論物理學家彼得希格斯(Peter Higgs, 1929-2024)在內的物理學家早於1964年便提出了希格斯場及希格斯粒子的存在，以解釋部份粒子擁有質量。大概五十年後，即2012年，經過瑞士日內瓦歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)進行的一連串實驗，終於有證據顯示希格斯色子是存在的。希格斯在2013年獲頒發諾貝爾物理學獎，以表揚他在1964年的前瞻性研究和發現。希格斯這位物理學大師非常長壽，剛於2024年4月以94歳的高齡去世。
希格斯玻色子的發現是人類在基礎物理學努力的成果。追溯到1950年代中，多個歐洲國家共同成立了歐洲核子研究組織，以促進國家之間在高能量物理研究中的協作，從而尋找構成宇宙的物質及了解箇中的運作。希格斯玻色子的發現是歐洲核子研究組織至今最重大成就；它記載了一個神奇的故事，反映人類內心深處對確認一個物理定律的堅持與追求，足以令人甘願花費逾47億美元及十年時間，興建大型強子對撞機。
是他們對基礎物理法則的好奇與堅持把他們定義為物理學家
由偉大的科學巨人，如伽俐略、牛頓、愛因斯坦及希格斯，到最終在故事尾聲榮獲諾貝爾獎的電視劇主角謝爾登高柏博士，物理學家的終極目標就是尋找主宰物理世界的基礎定律。他們對真理的追求是無止境的 -- 由物質的結構，到掌管物體互動的基本原則，以至引發交通擠塞的原因。他們對找出基礎定律顯示出無比的好奇與堅持，亦因此嬴得物理學家的美譽。
正因如此，我時常跟學生強調讀物理學不單只是完成課堂上所要求的練習，也非關乎準確數學運算。雖然現代物理學的確側重於數學，但物理學家的主要任務是追尋基礎法則。正是這股尋找真相的熱誠，將人類知識領域的界限不斷推進。這就是我希望學生從我的物理課帶回家的主要訊息。
這是物理課的一個實驗——利用光譜儀來確認發射光譜線。
除了物理，我也有在教育大學教授STEM（科學、技術、工程及數學）。透過使用教育技術的工具，學生能以創新、有趣及親身體驗的方式學習有關科目。
上STEM課時，我喜歡利用STEM教育工具進行簡單的實驗，從而教授學生檢視基本科學原則。
2013年，我從英國返港後不久，便加盟教育大學科學與環境學系。《囧男大爆炸》繼續是我晚間娛樂的首選，它讓我能暫時遠離忙碌和繁重的教學及研究工作。作為一個物理學家，我時常問，電視劇中沉悶沒趣的書呆子物理學家形象有多少是真實的。雖然，《囧男大爆炸》把物理學家類型化，但此劇能成功入屋，總算令物理這門學問變得更平易近人。即使如此，仍有許多人認為物理學與現實世界連繫甚少，更視物理學家為不擅社交，只埋首於象牙塔內做研究的動物，過著與世隔絕的生活。
然而，當你知道在現實世界，像我一樣的物理學家是會研究一些如交通網絡的課題時，你便會發現這個想當然的預設形象是何等遠離事實。在電視劇中，謝爾登高柏博士最終贏得諾貝爾物理學獎。在頒獎禮一幕，他將正式的致謝辭擱置一旁，然後說：「這項成就不應只屬於我，如我這樣想，就是錯誤並不合乎事實的。事實是，我有幸一直得到妻子，還有一眾好友的鼓勵、支持、啟發與包容。」我很喜歡這一集，它提醒了我物理學家其實是人類大家庭的一份子，物理學也是人類文明的一部份。有時間請看看此劇，你們或會如我一樣，從這齣喜劇得到啟發。
在電視劇中，由占帕森斯飾演的謝爾登高柏博士（在小屏幕上）於諾貝爾頒獎禮上發表獲獎感言，並向一眾好友致謝。 由左至右，依次序為昆瑙納亞爾(Kunal Nayyar)飾演的天體物理學家雷傑高化波里博士(Dr Raj Koothrappali)、梅麗莎勞奇(Melissa Rauch) 扮演的微生物學家伯納黛特羅森考斯基博士(Dr Bernadette Rostenkowski)、由西蒙海伯(Simon Helberg) 擔綱演出的航天工程師侯活和路威茲 (Howard Wolowitz)、由姬莉戈高(Kaley Cuoco)主演出的潘妮荷夫斯特(Penny Hofstadter)，以及尊尼葛萊加(Johnny Galecki)扮演的實驗物理學家里安納荷夫斯特博士(Dr Leonard Hofstadter)。 相片源自youtube截圖
註：楊志豪博士於香港科技大學取得物理學博士學位。其研究興趣包括統計物理學、無序系統、數學模型、交通網絡、複雜系統、社交網絡及STEM教育。楊博士致力提升科學教育，尤其是利用資訊科技增潤科學教育及STEM教育。
(中文翻譯：李婉霞)
