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--  作者:godaikin2003
--  發表時間:2010/5/31 上午 11:09:56
--  【轉貼】「無」的物理學

「無」的物理學

Newton量子科學雜誌312010/5

 若問到「無」是什麼?大部分的人應該都會回答:「什麼都沒有」。也許甚至有人會想:「那麼無聊的事,究竟有什麼好討論的?」

但是對物理學而言,「無」絕對不是無聊的事情。19世紀英國的物理學家法拉第(Michael Faraday17911867年)認為:「當真來說,實在太了不起了!」

  隨著物理學的發展,「無」變得越來越重要。「無」誕生了基本粒子、「無」具有能量、「無」促使宇宙的誕生……。以上所述皆是從現代物理學導出之「認真」的結論。現在認為「無」與物理學有切也切不斷的關係。讓我們一起來探究「無」的神奇與深奧之處。

內文:

讓我們看看身邊有些什麼吧!有你本身的身體、有你正在閱讀的《Newton》、穿在身上的衣服、呼吸的空氣、外面有廣闊的大地、飄浮在天空中的白雲以及光芒萬丈的太陽……。世界上充滿了這樣的「有」,「有」確實熱鬧,很有魅力。

  與它相較,「無」又如何呢?一無所有、空虛、空空如也。在與「有」對照下,「無」似乎顯得非常無趣。

  但是物理學家並不這麼認為。他們認為「無」其實是動態的,也是令人興奮的狀態。甚至有物理學家認為:「了解無之所有的人,也就了解了所有」(史丹佛大學,Leonard Susskind博士)。如果真的是這樣,那麼現代物理學所描繪的「無」,究竟是什麼樣的面貌呢?

  本特集中所謂的「無」主要有三種意義。第一種是所有物質全部去除的「淨空空間」、「真空」這種意義的「無」(2039頁)。相信大多數的人也都認為像這樣的空間就是「無」。

  但是科學家表示,在「無的空間」裡,簡直就像沸騰的水中冒出水泡般,有各種粒子冒出來。在所有物質確實都已取盡的空間中,為何會有這樣的事呢?

  此外,「無的空間」隱藏著不明身分的能量,而且根據近年來的觀測闡明,該能量似乎占宇宙整體能量和物質總量的大約73%。換句話說,宇宙的大部分是「無」所擁有的能量。「無的空間」看起來是空無一物,事實上卻隱藏著各式各樣的物質。

  第二種「無」是連「時空(時間和空間)」都不存在的「無」(4043頁)。根據美國的理論物理學家維蘭金(Alexander Vilenkin)博士倡議的說法,我們的宇宙是在這種沒有時間也沒有空間的「無」中誕生的。聽起來也許荒唐無稽,但是物理學家們卻很嚴肅地針對這樣的說法進行探討。

  第三種是「零」這種意義的「無」(4449頁)。現代物理學將物質的最小單位「基本粒子」的大小視為零,而這件事為物理學帶來莫大的難題。據表示,為了克服這個難題,因此不斷開創出新的物理學。就這樣,「無」可說是掌握現代物理學的關鍵。

當我們想到「無」這件事時,最容易想像到的應該就是「任何物質都沒有的空間」了。所謂物質,一般就是指由原子和分子所形成的東西(亦包含原子和分子帶電荷狀態的「離子」)。

  將原子和分子等除去的空間也就是「真空」。例如,地表附近的空氣,每立方公分(約一顆方糖大小)的空間中含有1兆的1000萬倍以上數量的分子,光是要將這些分子全部去除就不可能。此外,即使是宇宙空間也會有少許原子,因此在現實世界也很難實現所謂的完全真空。但是,在我們的腦海中可以描繪出這樣的真空,或是只要想到像原子與原子間的狹小空間,至少在那樣的場所應該就可以說是完全真空了吧!

  有件事絕對不可以忘記:這個世界上除了原子和分子以外,還存在著各式各樣的「基本粒子」(subatomic particles),它們在這些原子、分子間穿梭。所謂基本粒子就是再也無法分割的次原子粒子。諸如光的粒子稱為「光子」;質量非常輕,可以像幽靈般穿過物質的「微中子」等都是。假如要讓空間呈現完全「無」的狀態,那麼必須連這些基本粒子都清除殆盡才行。不過要將它們完全清除還是件困難的事,因此只能在腦海中想像此事,或是將基本粒子與基本粒子間的空間想成是完全的真空。

  首先,我們將如此所形成空無一物的空間稱為「無的空間」。像這樣的空間,真的只是個空蕩蕩的「盒子」嗎?

應該有很多人都聽過「加速器」這個名詞,加速器是讓粒子加速的裝置,是基本粒子物理學實驗的主要工具。也許大家會納悶:「加速器為什麼跟『無』有關係呢?」科學家表示,事實上加速器是物理學家用來探究「無」這個課題時,所不可或缺的實驗工具。換句話說,就算不是專家的我們,它也能夠啟示我們如何摸索前進,探索至今仍不得要領的「無」。

  在加速器中進行的是粒子與粒子的碰撞實驗。假設彼此碰撞的粒子為電子和「正子」(positron,又稱正電子、陽電子或反電子)1。將粒子加速到接近光速,讓它們互相撞擊。被加速到接近光速的粒子具有莫大的能量,仔細觀察「具有莫大能量之粒子彼此撞擊之際所發生的狀況」,就是使用加速器實驗的目的。

  「粒子彼此撞擊之際所發生的狀況」非常奇妙,遠脫離我們日常感覺所具有的常識。

  電子和正子碰撞之際,不可思議的是兩者都消失了。而更神奇的是在這兩者消失後,竟然新誕生了「夸克」(quark)和「反夸克」(antiquark);或者是「渺子」(μ粒子,muon)和反渺子(antimuon2與電子和正子完全不同種類的粒子。高能加速器研究機構的藤井惠介博士非常了解加速器實驗,他說:「這些新誕生的粒子,是從碰撞前之電子和正子所擁有的能量中誕生的。」

  不管怎麼想,這都是不可思議的現象。因為在我們的日常生活中,就不可能發生像球和球相互衝撞消失後,產生完全不同種類的球這樣的事。

  理論顯示,不可思議的機關在於基本粒子這種微觀世界的「居民」。在微觀世界,我們的常識似乎不通用。根據現代物理學,微觀世界的空間具有從能量產生(或是消滅)基本粒子的能力(詳細於3031頁介紹)。

正如各位在前頁所見到的,只要有能量就能在空間中誕生基本粒子。那麼,讓我們思考一下所有的原子、分子或者是基本粒子都完全去除的「無的空間」吧!當然,這個空間中也不存在著像前頁所述經過加速的粒子

  事實上,即使是像這樣的「無的空間」,物理學理論和實驗結果告訴我們:還是會誕生基本粒子。而且不是1個、2個,完全就像是沸騰的滾水中產生無數水泡般,從那裡誕生的基本粒子任意地飛來飛去

  真的有這樣的事嗎?現在我們問題所假設的是「無的空間」,當然原子、分子、基本粒子全部都已出清,同時也未從外部獲取可形成基本粒子的能量,所以該空間的能量值應該為零。那麼,為什麼已經努力營造成功的「無的空間」,在下一瞬間竟然會有無數的基本粒子「沸騰」出現?

  這個謎題的機關也是在於微觀世界的物理定律。據表示,其實在微觀世界中,即使未從外部施以能量,只要剎那間它本身具有能量,就可以利用該能量,從「無的空間」產生基本粒子。這是由於自然界具有稱為「測不準原理」(或稱不確定性原理,uncertainty principle)的性質所引起的(詳細於2627頁介紹)。

像這樣,在「無的空間」中「沸騰」的基本粒子稱為「虛粒子」虛粒子的壽命十分短暫,舉例來說,若虛粒子為電子和正子的話,其壽命約1022秒(1022分之1秒,換言之是1秒的1兆分之1100億分之1)。我們無法直接觀測到這些虛粒子。

  然而,雖然說是「虛的」,但科學家認為像這般不可思議的基本粒子的成對產生、成對消滅,是確實發生在我們生活周遭的空間中。現在正間接的以實驗手法確定其存在。

或者是讓我們這樣假設好了!測不準原理也許有點類似「高速旋轉的電風扇扇葉」。請各位想想實際的扇葉在高速旋轉時的情形,我們很難精確判斷某時刻扇葉的位置吧!另一方面,扇葉停止旋轉時,我們精確知道扇葉的位置,但是我們卻無法得知扇葉會受到什麼樣的力量轉動。當然,為了慎重起見,我們要補充指出,因為電風扇的扇葉轉動是牛頓力學世界裡的事,因此如果仔細測量的話,還是能夠確定扇葉的位置和速度的。

  需要注意的是:測不準原理這個規則並不是因為測定儀器的精密度低在微觀世界,不是因為測定能力的問題,而是由於大自然的基本性質才有這個規則

相信有人會將基本粒子想成像米粒般的「粒子」,本雜誌在很多時候也繪出這種形像的插圖。其實這樣想並沒有錯,但也談不上充分。基本粒子非常神奇的是有時候呈現「粒子」般的性質,但是在另外時候又呈現出「波」的性質。

  舉例來說,微觀粒子的「波」就像在空氣中傳遞的聲波,或是在地層中傳遞的地震波,它們會有某種程度的擴散前進。微觀粒子既然具有這般擴散行徑,如果要將之視為點狀物,想同時精確測定其位置和速度,將會出現困難。測不準原理就描述這樣的狀況,那是因為基本粒子並非僅具有「粒子」的性質,它同時兼具「波」的性質之故。

兩個磁鐵的N極彼此相互靠近,則會互相排斥。換言之,兩個磁鐵相互施力。然而在這兩個磁鐵之間,卻是什麼也沒有,有的只是空間而已。想想在水面傳送的水波和在空氣中傳送的聲波,它們的傳播好像都需要「介質」。然而磁鐵的情形卻找不到介質

  重力也有相似的情況。雖然牛頓在17世紀闡明天體也受到萬有引力的作用,但是對於力如何作用於遠距物體上,在當時依然成謎。對於像這樣的「超距作用」的想法,有越來越多的物理學家無法認同。

  因此接下來出現的就是「場」(field)的想法。例如,「磁場」是「場」的一種。19世紀,英國的物理學家法拉第(Michael Faraday17911867年)以磁鐵的影響是由近慢慢地往周圍空間擴展之「近距作用」的想法為根本,建構「磁力線」的觀念。這個觀念是以眼睛可以見到的圖案,表現磁鐵對周圍的影響,其中的線條就是磁力線。

  磁力線也就是描繪磁場狀態的線條。物理學所想的「場」具有空間的性質,因此磁場存在於「無的空間」的所有場所(一個場所附近沒有磁鐵時,該處的磁場強度為零)。而如果將磁鐵置於空間中,其附近的磁場狀態發生變化,而影響及於周圍。但是磁鐵的狀態變化並非瞬間傳遞到空間所有位置,而是逐漸地(以光速)向周圍擴展。

在前頁,我們介紹了物理學的基本想法:「無的空間」充滿了「場」,藉由「場」傳遞力。然而,現代物理學對於「場」的想法又更進一步了。

  藤井博士表示:「在現代物理學,所有的基本粒子都可以用『場』的概念來表現。而所謂的基本粒子並不是『物』,而是指能量集中,可一個一個計數之狀態的『事』。」換句話說,我們往往想像成是固體粒子的基本粒子,實際上只不過是充滿空間之「場」所顯示的一個狀態罷了

讓我們回溯到法拉第思索出「磁力線」後的19世紀後半。當時已知的力除了磁力、重力外,還有「電力」(electric force)。由於磁力和電力彼此有非常相似的性質,因此英國的物理學家馬克斯威爾(James Clerk Maxwell18311879年)將磁力和電力合為一組,成功地整合在方程式中。磁力的「場」――磁場和電力的「場」――電場,二者合而為一稱為「電磁場」(electromagnetic field)。

  電磁場的特徵為電場的變化會引起磁場變化,而磁場變化又會促使電場變化,就這樣一面互相啟動對方,一面像波一般傳遞出去。該波稱為「電磁波」。馬克斯威爾根據理論推算出的電磁波傳送速度,與當時已經測定出來的光傳送速度相近,顯示光的真正身分就是電磁波。

但是隨著不斷的研究,再加上實驗證實,光有時會展現粒子的性質,有時又會呈現波的性質。光好像既不完全是粒子,也不完全是波的「某物件」

  後來的研究又發現,大家一直都認為完全是粒子的「電子」,其實也具有波的性質。也就是說,電子也是無法斷言是波還是粒子的「某物件」

正如到目前所見,現代物理學所說的「無」,光用最初定義「將物質和基本粒子完全除去的空間」的簡單想法,顯然是無法一語道盡的。

但是對物理學而言,「無」絕對不是無聊的事情。19世紀英國的物理學家法拉第(Michael Faraday17911867年)認為:「當真來說,實在太了不起了!」

  隨著物理學的發展,「無」變得越來越重要。「無」誕生了基本粒子、「無」具有能量、「無」促使宇宙的誕生……。以上所述皆是從現代物理學導出之「認真」的結論。現在認為「無」與物理學有切也切不斷的關係。讓我們一起來探究「無」的神奇與深奧之處。

內文:

讓我們看看身邊有些什麼吧!有你本身的身體、有你正在閱讀的《Newton》、穿在身上的衣服、呼吸的空氣、外面有廣闊的大地、飄浮在天空中的白雲以及光芒萬丈的太陽……。世界上充滿了這樣的「有」,「有」確實熱鬧,很有魅力。

  與它相較,「無」又如何呢?一無所有、空虛、空空如也。在與「有」對照下,「無」似乎顯得非常無趣。

  但是物理學家並不這麼認為。他們認為「無」其實是動態的,也是令人興奮的狀態。甚至有物理學家認為:「了解無之所有的人,也就了解了所有」(史丹佛大學,Leonard Susskind博士)。如果真的是這樣,那麼現代物理學所描繪的「無」,究竟是什麼樣的面貌呢?

  本特集中所謂的「無」主要有三種意義。第一種是所有物質全部去除的「淨空空間」、「真空」這種意義的「無」(2039頁)。相信大多數的人也都認為像這樣的空間就是「無」。

  但是科學家表示,在「無的空間」裡,簡直就像沸騰的水中冒出水泡般,有各種粒子冒出來。在所有物質確實都已取盡的空間中,為何會有這樣的事呢?

  此外,「無的空間」隱藏著不明身分的能量,而且根據近年來的觀測闡明,該能量似乎占宇宙整體能量和物質總量的大約73%。換句話說,宇宙的大部分是「無」所擁有的能量。「無的空間」看起來是空無一物,事實上卻隱藏著各式各樣的物質。

  第二種「無」是連「時空(時間和空間)」都不存在的「無」(4043頁)。根據美國的理論物理學家維蘭金(Alexander Vilenkin)博士倡議的說法,我們的宇宙是在這種沒有時間也沒有空間的「無」中誕生的。聽起來也許荒唐無稽,但是物理學家們卻很嚴肅地針對這樣的說法進行探討。

  第三種是「零」這種意義的「無」(4449頁)。現代物理學將物質的最小單位「基本粒子」的大小視為零,而這件事為物理學帶來莫大的難題。據表示,為了克服這個難題,因此不斷開創出新的物理學。就這樣,「無」可說是掌握現代物理學的關鍵。

當我們想到「無」這件事時,最容易想像到的應該就是「任何物質都沒有的空間」了。所謂物質,一般就是指由原子和分子所形成的東西(亦包含原子和分子帶電荷狀態的「離子」)。

  將原子和分子等除去的空間也就是「真空」。例如,地表附近的空氣,每立方公分(約一顆方糖大小)的空間中含有1兆的1000萬倍以上數量的分子,光是要將這些分子全部去除就不可能。此外,即使是宇宙空間也會有少許原子,因此在現實世界也很難實現所謂的完全真空。但是,在我們的腦海中可以描繪出這樣的真空,或是只要想到像原子與原子間的狹小空間,至少在那樣的場所應該就可以說是完全真空了吧!

  有件事絕對不可以忘記:這個世界上除了原子和分子以外,還存在著各式各樣的「基本粒子」(subatomic particles),它們在這些原子、分子間穿梭。所謂基本粒子就是再也無法分割的次原子粒子。諸如光的粒子稱為「光子」;質量非常輕,可以像幽靈般穿過物質的「微中子」等都是。假如要讓空間呈現完全「無」的狀態,那麼必須連這些基本粒子都清除殆盡才行。不過要將它們完全清除還是件困難的事,因此只能在腦海中想像此事,或是將基本粒子與基本粒子間的空間想成是完全的真空。

  首先,我們將如此所形成空無一物的空間稱為「無的空間」。像這樣的空間,真的只是個空蕩蕩的「盒子」嗎?

應該有很多人都聽過「加速器」這個名詞,加速器是讓粒子加速的裝置,是基本粒子物理學實驗的主要工具。也許大家會納悶:「加速器為什麼跟『無』有關係呢?」科學家表示,事實上加速器是物理學家用來探究「無」這個課題時,所不可或缺的實驗工具。換句話說,就算不是專家的我們,它也能夠啟示我們如何摸索前進,探索至今仍不得要領的「無」。

  在加速器中進行的是粒子與粒子的碰撞實驗。假設彼此碰撞的粒子為電子和「正子」(positron,又稱正電子、陽電子或反電子)1。將粒子加速到接近光速,讓它們互相撞擊。被加速到接近光速的粒子具有莫大的能量,仔細觀察「具有莫大能量之粒子彼此撞擊之際所發生的狀況」,就是使用加速器實驗的目的。

  「粒子彼此撞擊之際所發生的狀況」非常奇妙,遠脫離我們日常感覺所具有的常識。

  電子和正子碰撞之際,不可思議的是兩者都消失了。而更神奇的是在這兩者消失後,竟然新誕生了「夸克」(quark)和「反夸克」(antiquark);或者是「渺子」(μ粒子,muon)和反渺子(antimuon2與電子和正子完全不同種類的粒子。高能加速器研究機構的藤井惠介博士非常了解加速器實驗,他說:「這些新誕生的粒子,是從碰撞前之電子和正子所擁有的能量中誕生的。」

  不管怎麼想,這都是不可思議的現象。因為在我們的日常生活中,就不可能發生像球和球相互衝撞消失後,產生完全不同種類的球這樣的事。

  理論顯示,不可思議的機關在於基本粒子這種微觀世界的「居民」。在微觀世界,我們的常識似乎不通用。根據現代物理學,微觀世界的空間具有從能量產生(或是消滅)基本粒子的能力(詳細於3031頁介紹)。

正如各位在前頁所見到的,只要有能量就能在空間中誕生基本粒子。那麼,讓我們思考一下所有的原子、分子或者是基本粒子都完全去除的「無的空間」吧!當然,這個空間中也不存在著像前頁所述經過加速的粒子

  事實上,即使是像這樣的「無的空間」,物理學理論和實驗結果告訴我們:還是會誕生基本粒子。而且不是1個、2個,完全就像是沸騰的滾水中產生無數水泡般,從那裡誕生的基本粒子任意地飛來飛去

  真的有這樣的事嗎?現在我們問題所假設的是「無的空間」,當然原子、分子、基本粒子全部都已出清,同時也未從外部獲取可形成基本粒子的能量,所以該空間的能量值應該為零。那麼,為什麼已經努力營造成功的「無的空間」,在下一瞬間竟然會有無數的基本粒子「沸騰」出現?

  這個謎題的機關也是在於微觀世界的物理定律。據表示,其實在微觀世界中,即使未從外部施以能量,只要剎那間它本身具有能量,就可以利用該能量,從「無的空間」產生基本粒子。這是由於自然界具有稱為「測不準原理」(或稱不確定性原理,uncertainty principle)的性質所引起的(詳細於2627頁介紹)。

像這樣,在「無的空間」中「沸騰」的基本粒子稱為「虛粒子」虛粒子的壽命十分短暫,舉例來說,若虛粒子為電子和正子的話,其壽命約1022秒(1022分之1秒,換言之是1秒的1兆分之1100億分之1)。我們無法直接觀測到這些虛粒子。

  然而,雖然說是「虛的」,但科學家認為像這般不可思議的基本粒子的成對產生、成對消滅,是確實發生在我們生活周遭的空間中。現在正間接的以實驗手法確定其存在。

或者是讓我們這樣假設好了!測不準原理也許有點類似「高速旋轉的電風扇扇葉」。請各位想想實際的扇葉在高速旋轉時的情形,我們很難精確判斷某時刻扇葉的位置吧!另一方面,扇葉停止旋轉時,我們精確知道扇葉的位置,但是我們卻無法得知扇葉會受到什麼樣的力量轉動。當然,為了慎重起見,我們要補充指出,因為電風扇的扇葉轉動是牛頓力學世界裡的事,因此如果仔細測量的話,還是能夠確定扇葉的位置和速度的。

  需要注意的是:測不準原理這個規則並不是因為測定儀器的精密度低在微觀世界,不是因為測定能力的問題,而是由於大自然的基本性質才有這個規則

相信有人會將基本粒子想成像米粒般的「粒子」,本雜誌在很多時候也繪出這種形像的插圖。其實這樣想並沒有錯,但也談不上充分。基本粒子非常神奇的是有時候呈現「粒子」般的性質,但是在另外時候又呈現出「波」的性質。

  舉例來說,微觀粒子的「波」就像在空氣中傳遞的聲波,或是在地層中傳遞的地震波,它們會有某種程度的擴散前進。微觀粒子既然具有這般擴散行徑,如果要將之視為點狀物,想同時精確測定其位置和速度,將會出現困難。測不準原理就描述這樣的狀況,那是因為基本粒子並非僅具有「粒子」的性質,它同時兼具「波」的性質之故。

兩個磁鐵的N極彼此相互靠近,則會互相排斥。換言之,兩個磁鐵相互施力。然而在這兩個磁鐵之間,卻是什麼也沒有,有的只是空間而已。想想在水面傳送的水波和在空氣中傳送的聲波,它們的傳播好像都需要「介質」。然而磁鐵的情形卻找不到介質

  重力也有相似的情況。雖然牛頓在17世紀闡明天體也受到萬有引力的作用,但是對於力如何作用於遠距物體上,在當時依然成謎。對於像這樣的「超距作用」的想法,有越來越多的物理學家無法認同。

  因此接下來出現的就是「場」(field)的想法。例如,「磁場」是「場」的一種。19世紀,英國的物理學家法拉第(Michael Faraday17911867年)以磁鐵的影響是由近慢慢地往周圍空間擴展之「近距作用」的想法為根本,建構「磁力線」的觀念。這個觀念是以眼睛可以見到的圖案,表現磁鐵對周圍的影響,其中的線條就是磁力線。

  磁力線也就是描繪磁場狀態的線條。物理學所想的「場」具有空間的性質,因此磁場存在於「無的空間」的所有場所(一個場所附近沒有磁鐵時,該處的磁場強度為零)。而如果將磁鐵置於空間中,其附近的磁場狀態發生變化,而影響及於周圍。但是磁鐵的狀態變化並非瞬間傳遞到空間所有位置,而是逐漸地(以光速)向周圍擴展。

在前頁,我們介紹了物理學的基本想法:「無的空間」充滿了「場」,藉由「場」傳遞力。然而,現代物理學對於「場」的想法又更進一步了。

  藤井博士表示:「在現代物理學,所有的基本粒子都可以用『場』的概念來表現。而所謂的基本粒子並不是『物』,而是指能量集中,可一個一個計數之狀態的『事』。」換句話說,我們往往想像成是固體粒子的基本粒子,實際上只不過是充滿空間之「場」所顯示的一個狀態罷了

讓我們回溯到法拉第思索出「磁力線」後的19世紀後半。當時已知的力除了磁力、重力外,還有「電力」(electric force)。由於磁力和電力彼此有非常相似的性質,因此英國的物理學家馬克斯威爾(James Clerk Maxwell18311879年)將磁力和電力合為一組,成功地整合在方程式中。磁力的「場」――磁場和電力的「場」――電場,二者合而為一稱為「電磁場」(electromagnetic field)。

  電磁場的特徵為電場的變化會引起磁場變化,而磁場變化又會促使電場變化,就這樣一面互相啟動對方,一面像波一般傳遞出去。該波稱為「電磁波」。馬克斯威爾根據理論推算出的電磁波傳送速度,與當時已經測定出來的光傳送速度相近,顯示光的真正身分就是電磁波。

但是隨著不斷的研究,再加上實驗證實,光有時會展現粒子的性質,有時又會呈現波的性質。光好像既不完全是粒子,也不完全是波的「某物件」

  後來的研究又發現,大家一直都認為完全是粒子的「電子」,其實也具有波的性質。也就是說,電子也是無法斷言是波還是粒子的「某物件」

正如到目前所見,現代物理學所說的「無」,光用最初定義「將物質和基本粒子完全除去的空間」的簡單想法,顯然是無法一語道盡的。