這是一本對話形式的故事書,是物理學家阿札羅夫,和不熟悉物理的妻子貝慈,每天早餐時間的閒談。閒談的內容,就從「第一位物理學家是誰?」開始,搭配了貝慈每天準備的美味早餐,例如高「質量」的班尼迪克蛋、蘋果「重力」薄煎餅、有「慣性」的熟煮蛋……
阿札羅夫借題發揮,用18頓早餐時間,娓娓道出四百年來、數十位大物理學家的軼事,以及他們的大發現,因此而勾勒出一部物理簡史。
如果你以為物理學就是一堆惱人的公式和演算,這本《物理早自習》可以幫助你撥開迷霧,直接見識到物理學的精華。如果你學過物理,只知其然卻不知所以然,只要輕輕鬆鬆自修《物理早自習》,就能對「萬物之理」獲得前所未有的洞識。
作者簡介:
阿札羅夫 著
麻省理工學院物理博士,有四十年以上的物理和材料科學教學經驗。 出生於俄國莫斯科,第二次世界大戰之前移民美國。1953年起,從事固態物理研究;1956年擔任伊利諾理工學院冶金工程教授,1966年出任康乃狄克大學材料科學研究所所長。1992年退休,成為康大榮譽教授。 在忙碌的教學、研究、行政生涯,阿札羅夫共發表了大約一百篇學術論文,撰寫了七本X射線結晶學及材料科學教科書,贏得學界、校方及康州州政府的許多獎項和榮耀。退休後,阿札羅夫致力於物理學普及工作,《物理早自習》就是他最著名的科普書。
章節試閱
第1頓早餐:
有慣性的熟煮蛋
第一位物理學家是誰呀?
我和貝慈之間的早餐物理閒談是這樣開始的。有一天早晨正準備吃熟煮蛋的時候,我忽然有感而發:「我發現早年物理學家有許多很精采的小故事,非常有趣,也非常令人感動。」
貝慈聽了,很自然的就問我:「第一位物理學家是誰?」(她是個好奇寶寶,提出非常多的類似問題,各位很快就會發現了。)
我回答:「伽利略是第一位物理學家,雖然他本人並不知道這件事。我們把學者稱呼為『科學家』或『物理學家』,還是十九世紀中葉以後的事。最初提出這些頭銜的人,是惠衛耳,他是劍橋大學三一學院的院長,也是劍橋當時的副校長,在他之前,並沒有人提過什麼『科學家』或『物理學家』之類的名稱。」
但是貝慈反駁說:「我相信在伽利略之前,一定有人研究過我們現在稱為物理的課題。例如許多早期文明,像古埃及、古希臘文明、或者南美洲的馬雅、阿茲特克文明,甚至亞洲或其他地區,難道都沒有人研究過物理嗎?」
我回答說:「我們的確在美洲、亞洲和非洲,發現過許多古代建築的遺跡,而且我們也知道很多簡單的工具很早就發明出來且廣泛使用。但令人驚奇的是,最早有關科學分析的紀錄,卻只追溯到活躍於現今希臘和土耳其一帶的古代學者的教學內容中。唯一的例外是天文觀測方面的記載,倒是很多古文明都有相當完整的紀錄,只不過這是比較偏技藝而非科學,此外,它的目的絕大部分是為統治者預測吉凶,並不是要了解大自然的運作。
「但是,那些古代的文化背景對於伽利略的一生,有直接的影響。大約距今兩千五百年前,有一群人住在現在中東地區的蔚藍海洋邊上,他們開始努力思考自己所處的環境是怎麼一回事。或許由於這批人並不認為自己是科學家,所以很容易就招攬到一群人來聽他們闡述理念,共同為這些理念奮鬥。」
「等等!你是不是說,如果一個教授不認為自己是教授,就能吸引更多的學生來聽他講課?」貝慈不懷好意的問。
「這個想法很有意思,是有這種可能性。其實現在的『學校』是從古希臘逐漸發展成現在這個樣子的。古代的教育是導師或師徒制的,很多人跟隨一位學者來學習。其中有個人叫畢達哥拉斯,現代人稱他為『自然哲學之父』,他最有名的功業是發現了畢氏定理,就是『直角三角形兩條短邊的平方和,等於斜邊的平方』。
「但是畢達哥拉斯還有一項不那麼出名的主張。當時的人絕大部分認為地球是平的,可是畢達哥拉斯卻主張地球是球形的。這件事其實可以由觀測得知:遠行的船隻駛向地平時,是逐漸消失於視線之外的(見圖1)。不過畢達哥拉斯的主張,並不是出於觀測的結論,而是來自一個前提,就是:在美學上,球形是最漂亮的形狀。因此,一個完美的地球當然應該是球形的。為了怕自己的異端邪說犯了眾怒,畢達哥拉斯學派的人形成一個祕密社團,大家立下毒誓,不把自己的想法洩露出去。」
圖1 船隻駛向地平時(以觀測者的視線為準),球形的地球會使船隻看起來像是慢慢沉入地平,就像落日一樣。
貝慈很好奇的追問:「他們是害怕別人笑他們的想法荒謬,還是擔心自己的人身安全?」
我在繼續講下去之前,先回答了這個問題:「我並不知道。或許形成一個祕密社團,只是當時知識份子的一種習慣而已。
「你上過邏輯課,一定記得亞里斯多德這位了不起的古希臘哲學家,他建立了一套有系統的嚴謹推理法則,然後應用這些法則去分析感興趣的主題。在分析的時候,只要符合邏輯法則,對於得到的結論,他從來不覺得需要做進一步的檢驗。令我覺得疑惑的是,為什麼同樣這一群人,在處理幾何定理時,對證明的過程要求得這麼嚴謹,但在接受其他未經檢驗的想法時,卻又如此的灑脫。」
貝慈忽然想到一件事。「我相信亞里斯多德也寫過一些有關人類行為的東西,這會讓他成為史上第一位心理學家。」
「亞里斯多德對許多事情都有建樹,包括在地球上的物體是怎樣運動的。首先,他把運動分成『自然的』運動和『強制的』運動兩大類。自然的運動理應是根據物質本身的特性。地球上的物體,都有一個特性是終歸要回到地上。舉例來說,你把一塊石頭舉到半空中的時候,它的本性是想回到地上去的,石頭愈大、愈重,它愈想迅速回到地上去。同樣的,燃燒木材的煙會上升,因為煙的本質是空氣,因此它會回到空中。這種自然的運動是直線的,會垂直上升或下降,這是地球上絕大部分自然運動的情況。」
貝慈好奇的問:「那落葉呢?它雖然也會落到地上去,但是飄呀飄的,可不是直線落下。」
「古希臘人認為,構成物質的四項元素是地、水、火、風。根據亞里斯多德的說法,葉子的本質大部分屬於地,但也有小部分是風的成分,因此葉子最後還是會落回地上,只是比石頭慢得多。」
貝慈還想多知道一些亞里斯多德對於運動的看法,因此繼續追問:「他對行星與恆星的運動又如何解釋呢?它們既不會直線落下來,也不會直線遠離我們而去呀。」
「亞里斯多德對這個也有巧妙的說明。他認為天體的運動應該是圓形的,因為圓形軌跡的運動既沒有起點,也沒有終點,可以永遠循環下去。」
「就像循環論證那樣沒完沒了嗎?」
「可能是吧,但先讓我繼續說下去。依照亞里斯多德的說法,如果要使石頭在水平方向上運動,就需要對石頭施加強制的運動,例如在湍急河水裡的浮木,就是受到強制的運動,而風吹樹葉或船帆,也屬於強制的運動。施加這種強制運動的外部媒介消失之後,物體又會回復到它們的自然狀態,石頭又掉回到地上,木頭或船靜靜的浮在水面,沒有任何橫向的運動。」
聽到這裡,貝慈又忍不住說了:「等一下。當我們把石頭丟向一旁時,手對石頭的確是施加了強制運動,但石頭離開手的時候,這項強制運動已經終止了,可是石頭仍然繼續向旁邊飛出去。這一點,亞里斯多德又怎麼自圓其說呢?」
「這就可以看出亞里斯多德天才的地方了。他的推論是:當石頭前進的時候,會把它前面的空氣往前推,因此在石頭通過的地方,會在後面形成一個缺乏空氣的空穴,而四周的空氣會立刻擁入這個氣穴裡,造成一股把石頭繼續往前推的力量!但是,石頭還是會逐漸回復它的自然狀態,而掉回地上。你是不是覺得這個說明既巧妙又有邏輯?」
物理學是怎麼來的?從滾動的球開始!
這時,貝慈放了兩顆蛋到平底深鍋裡去水煮,問道:「好吧!我們能不能這樣說,伽利略是第一位物理學家,但在他之前,已經有很多人完成了一些基礎工作?現在,讓我們回到開始的話題。請你告訴我伽利略做了些什麼,為什麼他和別人不一樣。」
「伽利略在1564年2月15日,出生於義大利比薩地區的貴族家庭,但當時他們家道中落,經濟情況並不好。他父親對音樂的數學特性很有興趣,但是卻希望自己這個最有才華的兒子以後生活過得富裕些,因此送他去學醫。於是,年輕的伽利略就進了比薩大學,準備當個醫師。
「不過,就像他的父親一樣,伽利略覺得數學課比學醫有趣得多,就放棄了學醫的課程,轉入自己更感興趣的科學課程。很幸運的是,當時比薩大學的校長,知道伽利略在科學上的天分,不但同意他這種轉換,甚至還給了他一個數學講師的職位。當時伽利略不要說還沒有得到任何數學方面的正式學位,事實上,他根本沒有任何正式的學位。講師的職位讓他在比薩大學多待了三年,繼續完成他對自由落體運動的研究工作。」
貝慈對這件事很好奇,「他做了些什麼,讓他的前輩們對他印象這麼深刻?」
「在學醫的過程中,伽利略就對亞里斯多德很多想法的不完整,感到挫折。有一天在教堂做彌撒的時候,他對天花板上用長長的鍊子垂掛的吊燈產生興趣。他注意到吊燈前後擺動的時間好像是固定的,當時並沒有什麼方便的隨身計時裝置,因此他就利用自己的脈搏,來計算吊燈擺動的週期。他發現到,雖然吊燈前後擺動的幅度不同,但擺動一次的時間(週期)是一樣的。
「回到家之後,伽利略用很多不同的重物和不同長度的繩子,做了很多不同的擺動裝置,反覆觀測與實驗。他發現,改變重物的重量和擺繩的長度,可以得到很多不同的週期。亞里斯多德學派的邏輯,無法解釋這項實驗,就連伽利略自己,也想不出很好的解釋來,然而他還是發明了脈搏計,這也是每個學音樂的學生都熟悉的節拍器的前身。」
貝慈問我:「擺動的吊燈不就是單擺嗎?讓伽利略和亞里斯多德有所不同的地方在哪裡?是不是伽利略看了單擺的規律擺動後,不只沉思為什麼會這樣,還更進一步動手做實驗進行觀測?」
我回答說:「對,這是兩人很不一樣的原因,而且是最重要的原因。但其實兩人還有一項很大的差別,就是伽利略有一項本領,可以把他實驗觀測的結果,化成簡單的自然律。現在,我把他對當時很多人誤解的自由落體運動所做的正確解釋講給你聽,其實一直到今天,還是有人誤解自由落體運動。」
貝慈一面再放兩顆雞蛋到鍋裡,一面淘氣的問我:「你所說的誤解,是不是指亞里斯多德的結論引申出來的:那些往上走的,最後也必定會掉下來?」
「不完全是。亞里斯多德認為,自由落體的速率和它的重量有關;愈重的東西,往下掉的速率愈快。為了驗證這個假說是不是正確,伽利略可沒有像很多傳說描述的,直接就爬到比薩斜塔頂上,做了人人都聽過的自由落體實驗。事實上那是後來的事,伽利略明白,要實際比較兩個不同落體的速率,有很多問題需要先克服,譬如兩個物體必須在完全相同的時間落下,而計算它們開始落下及落地,要有非常精確的計時器。
「除此之外,落體在經過空中的時候,還要考慮到空氣阻力。我們都知道,高速前進的汽車或快艇,流線的外形是非常重要的,主要就是考慮到空氣阻力的影響。伽利略對於自由落體可能碰上的空氣阻力問題,自然心裡有數,當時也沒有手錶或馬錶這類的計時裝置,要進行自由落體的相關實驗是非常困難的。」
「我希望你在自己編寫的教科書裡,要把當年的這些限制條件說清楚。你知道,現代的學生普遍認為手錶之類的物品,已經是理所當然的配備了,不太容易體會早年會有這一類的困難。」
第1頓早餐:
有慣性的熟煮蛋
第一位物理學家是誰呀?
我和貝慈之間的早餐物理閒談是這樣開始的。有一天早晨正準備吃熟煮蛋的時候,我忽然有感而發:「我發現早年物理學家有許多很精采的小故事,非常有趣,也非常令人感動。」
貝慈聽了,很自然的就問我:「第一位物理學家是誰?」(她是個好奇寶寶,提出非常多的類似問題,各位很快就會發現了。)
我回答:「伽利略是第一位物理學家,雖然他本人並不知道這件事。我們把學者稱呼為『科學家』或『物理學家』,還是十九世紀中葉以後的事。最初提出這些頭銜的人,是惠衛耳,他是劍橋大學三一學...
目錄
序曲:18頓美味早餐,通識一門物理課-10第1頓早餐:有慣性的熟煮蛋-14第一位物理學家是誰呀?-14物理學是怎麼來的?從滾動的球開始!-18第2頓早餐:高質量的班尼迪克蛋-26什麼原因讓球滾來滾去?-26牛頓的三大運動定律-28第3頓早餐:蘋果重力薄煎餅-33蘋果怎麼會從樹上掉下來?-33如何為地球秤重?-40第4頓早餐:果麥脆片低卡路里-43有了能量,才能繼續前進-43熱量可不是流動的物質喔!-46第5頓早餐:帶著能量的熱蛋糕-49有多熱?-49讓熱做功吧!-52第6頓早餐:法式吐司有熱力-59熱力學第一定律:你不可能贏!-59熱力學第二定律:你也不可能平手!-62熱力學第三定律:你還不能不玩!-67第7頓早餐:冷盤不來電-69放風箏去引閃電!-69伏特/安培=歐姆-76第8頓早餐:藍莓鬆糕來電了!-82導體VS.非導體-82交流電VS.直流電-90第9頓早餐:蘋果油炸餅與「磁」愛-97磁力-97磁場-102馬克士威寫了些什麼?-109第10頓早餐:酥脆培根水波蛋-116製造波動-116波動可以搞什麼飛機?-121第11頓早餐:燕麥粥吃光光-131什麼是光?-131我們為什麼能看見東西?-135這是個萬紫千紅的彩色世界!-144第12頓早餐:貝果相對燻鮭魚-149光速是什麼?-149真的是相對的嗎?-152相對論的弔詭與黑洞-155第13頓早餐:量子穀麥粉-162有人相信量子嗎?-162量子論和原子有何關係?-168第14頓早餐:波粒丹麥酥-179波函數是什麼?-179玻恩和海森堡有了答案-186第15頓早餐:原子鬆餅-192原子也能很有趣-192原子怎麼會互相吸引在一起?-202第16頓早餐:固體甜甜圈&流體咖啡-210我們被流體包圍了-210我們得依賴固體-215第17頓早餐:美式米花大放射-219誰怕放射性?-219原子核裡面有什麼故事?-224可以為善、也能為惡的核能-228我們的核能遺物往哪兒擺?-241第18頓早餐:夸克玉米餅-246亂成一團的粒子-246什麼?還有更多的守恆律?-252夸克,和更多夸克-259物理學的大一統-265終曲:前面還有什麼?-271尋找起源-271對稱與混沌-276還有什麼新鮮事?-282誌謝-284物理名詞注釋-285科學家簡介-296
序曲:18頓美味早餐,通識一門物理課-10第1頓早餐:有慣性的熟煮蛋-14第一位物理學家是誰呀?-14物理學是怎麼來的?從滾動的球開始!-18第2頓早餐:高質量的班尼迪克蛋-26什麼原因讓球滾來滾去?-26牛頓的三大運動定律-28第3頓早餐:蘋果重力薄煎餅-33蘋果怎麼會從樹上掉下來?-33如何為地球秤重?-40第4頓早餐:果麥脆片低卡路里-43有了能量,才能繼續前進-43熱量可不是流動的物質喔!-46第5頓早餐:帶著能量的熱蛋糕-49有多熱?-49讓熱做功吧!-52第6頓早餐:法式吐司有熱力-59熱力學第一定律:你不可能贏!-59熱力學...
購物須知
退換貨說明:
會員均享有10天的商品猶豫期(含例假日)。若您欲辦理退換貨,請於取得該商品10日內寄回。
辦理退換貨時,請保持商品全新狀態與完整包裝(商品本身、贈品、贈票、附件、內外包裝、保證書、隨貨文件等)一併寄回。若退回商品無法回復原狀者,可能影響退換貨權利之行使或須負擔部分費用。
訂購本商品前請務必詳閱退換貨原則。