原來科學家這樣想：給青少年的相對論、量子...

第1章 不可思議的光速 01 伽利略測量光速 光，是宇宙中最常見，但又最神祕的自然現象，直到今天，我們依然不敢說了解光。 在我們的世界裡，光無所不在，因此很難想像，一個沒有光的世界將會是什麼樣子。 人類漫長的歷史中，大家一度認為光線的傳播不需要任何時間，也就是說，光的傳播速度無限快。這非常符合我們的常識。當你在漆黑的房間裡劃亮一根火柴，火柴發出亮光的一剎那，整個房間就亮了，沒有人會看到自己的手先亮起來，然後是自己的腳亮起來，最後再看到房間的牆壁慢慢顯現在黑暗中。當太陽從山後升起的一剎那，地面上所有的東西都同時披上金色外衣，誰也沒有看過陽光像箭一樣朝我們射過來。 但是，400多年前，義大利科學家伽利略（Galileo Galilei）不相信光的傳播不需要時間。伽利略猜想，我們感覺不到光的速度，一定是因為它跑得實在是太快了。 伽利略為什麼能成為世界歷史上最偉大的科學家呢？有一個重要的原因，就是他不僅止於想而已。每當有了一個猜想，伽利略總是想盡辦法，用實驗來證明它。你也想當科學家嗎？ 記住，想當科學家，就得先讓自己成為「實驗狂」，就像伽利略那樣。 那麼，伽利略如何以實驗證明光的速度有限呢？ 在一個月黑風高的夜晚，伽利略一行四人，分成兩組，爬到兩座相距很遠的高山頂上。每組人的手裡都拿著一盞煤油燈和一個鐘擺計時器。可憐的古人，那時候還沒有發明手電筒和電子錶，能發出光亮的東西通常只有火把和煤油燈。 伽利略在煤油燈外面套上一個罩子，只要罩子一拉開，光就會照射出來，罩子一蓋住，光就滅了，好歹算是做出一個簡陋的手電筒。 伽利略的智慧過人，他很清楚，由於光速太快，想要靠這麼簡陋的裝置測量光速極為困難，但是他想到統計學的方法消除誤差。他很清楚，在打開、關閉煤油燈的過程中，必然會有很多來自各方面的誤差，要消除這些誤差，可以重複做大量的實驗，然後取平均值。重複次數愈多，愈能夠接近真實數值。 想想看，就在那樣一個漆黑的夜晚， 74歲的伽利略老先生和他的夥伴們在相距很遠的兩座高山上，不斷地打開、關上煤油燈，試圖記下光傳播所需要的時間。這是一幅多麼勵志的畫面啊！ 然而，伽利略失敗了，想要用這種辦法測量光速，就好像你拿一條裁縫用的皮尺，量頭髮有多粗，這幾乎做不到，因為頭髮太細，而皮尺上的刻度又太大了。 若想讓實驗成功，光有蠻力並不夠，還必須有正確的方法和足夠的耐心。 伽利略一直到去世，也沒能測量出光速。 02 羅默證明光速有限 伽利略去世後30多年，也就是1675年左右，人類終於首次證明光具有傳播速度。這項榮譽要授予丹麥天文學家羅默（Ole Christensen Romer）。 羅默特別喜歡觀測木星。木星有四顆衛星，從地球看過去，有時候這些衛星會轉到木星的背面，產生如同我們在地球上看月食的現象—木星的衛星慢慢地消失，然後又在木星的另一側慢慢出現。羅默觀察木星的「月食」現象整整9年，累積大量的觀測資料。 他驚奇地發現，當地球逐漸靠近木星時，木星「月食」發生的時間間隔會逐漸縮短；而當地球逐漸遠離木星時，木星「月食」發生的時間間隔會逐漸拉長。這個現象太神奇了，因為根據當時人們已經掌握的定理，衛星繞木星的運轉週期固定，不可能忽快忽慢。羅默經過思考，突然想到：這不正是光速有限的最好證據嗎？因為光從木星傳播到地球而被我們看見，需要時間，那麼地球離木星愈近，光傳播的時間就愈短，反之則愈長，這用來解釋木星的「月食」時間間隔不均現象，真是再恰當不過了。羅默的計算結果是光速為1秒22.5萬公里，已經接近準確數據。 羅默最大的貢獻在於，他用詳實的觀測數據和無可辯駁的邏輯證明光速有限，並且精確地預言某一次「月食」發生的時間要比其他天文學家計算的時間晚10分鐘，結果與羅默的預言分毫不差。從此，整個物理學界都認同光速有限。 但是，在此後的100多年中，依然沒有任何一個人能用實驗的方法測量出更精確的光速。直到一位法國人出現，才解決這道世紀難題，他就是法國科學家菲左（Armand Fizeau）。 03 菲左成功測量出光速 菲左有什麼先進科技嗎？當然沒有，160多年前，電燈都還沒發明呢！菲左只用到一支蠟燭、一面鏡子、一個齒輪和一架望遠鏡就成功地測出光速。所以，只要想法妙，就不怕題目刁。 菲左的絕妙實驗到底怎麼做的？首先，蠟燭的光穿過齒輪的一個齒縫射到一面鏡子上，然後光會被反射回來，我們在齒輪後面觀察。你想一下，如果齒輪是不轉的，那麼反射回來的光沿原路返回，仍然通過同一個齒縫被我們看到。現在，你開始轉動齒輪，在轉速比較慢的時候，因為光速很快，光仍然會通過同一個齒縫反射回來。但是當齒輪愈轉愈快，到一個特定的速度，光返回的時候，這個齒縫剛好轉過去，於是光被擋住，我們就看不到那束光。當齒輪的轉速繼續加快，快到一定程度時，光返回的時候恰好又穿過下一個齒縫，於是我們又能看見。這樣的話，我們只要知道齒輪的轉速、齒數，還有我們的眼睛到鏡子的距離，就能計算出光速了。 這個實驗最巧妙的地方在於，它不需要計時器，之前所有的測量光速實驗都失敗的根本原因，就在於找不到有足夠精準度的計時器。 但是你們也別以為菲左的實驗過程很輕鬆，事實上，因為光速實在太快，菲左只能不斷地拉長光源到鏡子的距離，這樣就更要求光源的強度，還要不斷地增加齒輪的齒數—如果齒數太少，精密度也不夠。就這樣，在菲左不懈的努力下，當齒數增加到720齒，光源距鏡子的距離長達8公里，轉數達到每秒12.67轉的時候，菲左歡呼一聲，他首次看到光被擋住而消失；當轉速提高1倍以後，他再次看到光。菲左終於得到勝利，他計算出光的速度是1秒 31.5萬公里，與我們今天知道的光速1秒30萬公里已經非常接近。 光的速度實在是太快，但如果僅僅是快，並不能稱為「不可思議」。又過了100多年，對光速進行深入研究後，科學家發現更神奇的現象。 04如此怪異的光速 美國科學家邁克生（Albert Abraham Michelson）和莫立（Edward Morley）在19世紀末做一個著名的實驗，哪知道實驗結果把包括他們在內的所有科學家都嚇了一大跳，這就是歷史上赫赫有名的邁克生－莫立實驗（Michelson-Morley experiment）。 他們原本想透過這個實驗證明，光速會受到地球在太空中運動方向的影響。地球好像一列火車，行駛在環繞太陽公轉的軌道，日夜不停地帶著我們奔跑。因為這個軌道的形狀不是正圓形，而是橢圓形，所以地球在一年四季中，有時候是朝著遠離太陽的方向運動，有時候是朝著接近太陽的方向運動。那麼，當地球朝向太陽運動時，陽光相對於我們的速度應該更快一點；當地球遠離太陽運動時，陽光相對於我們的速度就應該變得慢一些。想像一下，你和另外一個朋友在操場上，兩人面對面地跑起來，是不是很快就會迎面相遇？如果他來追你，就要花更多的時間才能追到你。這原本是一件天經地義的事情。 可是，實驗卻發現，光的速度居然完全不受地球運動方向的影響，不論地球朝向太陽運動，還是遠離太陽運動，光速都完全一樣。這件事情實在令人不可思議。想想看，假如你是一束光，當你要去追另外一個朋友的時候，不論他是衝著你跑過來，還是背對你拚命地逃，你抓住他的時間總是不變。 剛開始，幾乎所有的科學家都認為這實在太邪門，怎麼可能呢？一定是哪裡出問題？沒有什麼事情能比光速更讓科學家感到抓狂，有些人甚至想把邁克生和莫立抓起來拷問，讓他們老實交代，到底有沒有搞錯。 可憐的邁克生和莫立，其實他們自己也被實驗弄得焦頭爛額。 後來的幾十年，科學家設計一個又一個實驗，千百次地反覆驗證，最終證明，無論在什麼情況下，光的速度都不會有變化。光，永遠用同樣的速度日夜不停地奔跑著，既不會停下來，也不會改變奔跑的速度。這就好像有個小孩一直在奔跑，但是奇怪就奇怪在，不論我們站在馬路上、坐在火車上，或者坐在火箭上，這個小孩永遠都用同樣的速度遠離我們而去。我們永遠不可能追上這個小孩。 人類終於發現，光速是宇宙中永恆不變且最快的速度。 測量出令人不可思議的光速，是人類對自然規律的一項重大發現，這將帶來一連串更加令人震驚的發現，這又是什麼樣的發現呢？ 05 假如我跟光跑得一樣快 20世紀初，雖然已經有很多的實驗證明，無論在任何情況下，我們都無法觀察到光速發生變化，但這個現象太過於奇妙，也違反常識和直覺，因此當時的科學界普遍不相信、不接受。這時敢大膽提出光速不變的人，就是科學家愛因斯坦（Albert Einstein），他的觀念轉變是從一個思想實驗開始。 什麼是思想實驗？這是一種在大腦中進行的實驗，不需要任何器材，只要閉上眼睛想像就可以了。 1905年，26歲的愛因斯坦默默地思考著一個前人從未想到過的問題：假如我和光跑得一樣快，當我經過一個光源，在經過的剎那，光源亮起，我將看到什麼呢？ 這個問題困擾了愛因斯坦很久：如果按照人們對運動的傳統認知，我將看到一束相對於我來說是靜止的光。但是，愛因斯坦覺得這根本不可能，因為光是一種電磁波。什麼是波？舉個例子，你拿著一根長繩，然後抖一下，是不是看到，在繩子上形成一個凸起的波峰一直傳遞下去？繩子上的一個點運動必然會帶動下一個點跟著運動，於是這麼傳遞下去就形成了波。 光波的本質是電場和磁場的交替感應，有點像軍人報數，聽到1的人一定要報2，聽到2的人一定要報3，這是不可破壞的規則。一束靜止的光，就好比軍人聽到1不報2，大自然的規則豈不是被破壞了？ 最後，愛因斯坦不得不提出一個大膽的假設：光速相對於任何觀察者來說，一定永恆不變。這意謂著什麼呢？如果一個人在一列以速度v行駛的火車上，用手電筒打出一束速度為c的光，那麼在月台上的人看來，這束光的速度難道不應該是c+v嗎？但如果真的是c+v的話，明顯又和我自己的假設衝突。看來我要嘛放棄簡潔優美的速度合成法則，要嘛放棄我頭腦中對於速度的既有理解。 如果一隻小鳥也在車廂裡以w的速度飛，在月台上的人看來，小鳥的速度顯然應該是v+w，對這個結論，現在沒有人會否認。但是，憑什麼我們對小鳥的結論也硬要套用在光的頭上呢？我們對光速的認識太淺薄了，相對於光速，不論是小鳥還是火車，其速度都低得可以忽略不計。我們生活在一個速度低得可憐的世界裡，在這個世界裡總結出來的規律，難道也適用於高速世界嗎？在火車上的人和月台上的人，看到的光，其速度仍然是c，這個結論之所以讓我們感到奇怪，是因為我們一廂情願地把自己在低速世界的感受直接延伸到高速世界，但事實超出想像。我們應該果斷地拋棄舊觀念，接受新觀念。 想到這裡，愛因斯坦不再糾結了，他決定斷然地接受光速恆定不變這個新觀念，以此為基石，繼續往下推演，看看到底會得到什麼結論。不論這些結論是多麼光怪陸離，我們至少應該有勇氣往下想，因為再奇怪的結論都可以交給實驗物理學家檢驗真偽。現在，我將帶著你繼續思想實驗，看看如果光速不變，到底又會產生什麼樣的神奇現象呢？ 06 時間不是永恆不變 想像你駕駛一艘太空船，它正以接近光速的速度飛行。 假設我站在地面上，看著你的太空船。在這個思想實驗中，你需要假設我是千里眼，不論多遠都能看清你的太空船。 現在，請打開太空船大燈，讓光照亮你前進的軌道。請想像一下，站在地面上的我，會看到什麼樣的景象呢？ 因為太空船大燈射出的光，在我眼裡的速度是1秒30萬公里，而太空船的速度接近光速，所以，我會看到太空船和這束光幾乎齊頭並進，慢慢拉開距離，太空船只比光稍微慢了一點。 接下來，重點來了，我們切換視角，請你想像一下，坐在太空船駕駛艙中的你會看到什麼樣的景象呢？ 因為光速在任何情況下皆永恆不變，所以，在太空船中的你也依然會看到，光正以1秒30萬公里的速度離你遠去。剎那間，光就跑到很遠、很遠的地方。 繼續往下閱讀之前，我希望你稍微思考一下，上面所說的兩種情況，仔細想想，有沒有覺得奇怪。 假設太空船的速度非常接近光速，在地面上的我，等了1小時才看到太空船和光拉開30萬公里的距離，而在太空船上的你看到的情況可就完全不同了。你只是眨了眨眼睛，僅僅過去1秒鐘，就看到太空船與光拉開30萬公里的距離。如果這一切都是真的，豈不是我的1小時相當於你的1秒鐘嗎？ 而且，在這個例子中，顯然太空船的速度愈接近光速，我的時間愈顯得比你的時間長。這麼奇怪的事情是真的嗎？難道說「太空船一日，地上一年」是真的嗎？ 是的，根據光速不變的假設，愛因斯坦得出令當時所有科學家都大吃一驚的結論：時間不是永恆不變，處在不同運動速度狀態下的物體，它們所經歷的時間，流逝速度不同，也就是說，時間是相對的。 愛因斯坦不但提出時間是相對的這個結論，還精確地說明時間和速度之間的變換公式，根據他的數學公式，我們可以計算出，如果有一架飛機以每秒300公尺連續飛100年的話，當飛機上的乘客在100年後走下飛機，他們會比地面上的人年輕大約26分鐘18秒。

第1章 不可思議的光速 01 伽利略測量光速 光，是宇宙中最常見，但又最神祕的自然現象，直到今天，我們依然不敢說了解光。 在我們的世界裡，光無所不在，因此很難想像，一個沒有光的世界將會是什麼樣子。 人類漫長的歷史中，大家一度認為光線的傳播不需要任何時間，也就是說，光的傳播速度無限快。這非常符合我們的常識。當你在漆黑的房間裡劃亮一根火柴，火柴發出亮光的一剎那，整個房間就亮了，沒有人會看到自己的手先亮起來，然後是自己的腳亮起來，最後再看到房間的牆壁慢慢顯現在黑暗中。當太陽從山後升起的一...

《原來科學家這樣想1：如果你跑得和光一樣快》 【導讀】為有源頭活水來—閱讀科普樂趣多 簡麗賢／北一女中物理科教師 愛因斯坦的名言：「想像力比知識重要。」然而，若要增強想像力，不能只空思冥想，閱讀不可或缺。例如，廣泛閱讀科普書籍，可以從科普書中獲得科學知識和思維，成為想像力的源頭活水，也能汲取閱讀的樂趣。 光是什麼？光速多快？如何測出光速？光具有哪些特性？如果我們跑得和光一樣快，甚至比光速快，這世界會變成怎樣？如果光不是直線前進，光會轉彎，這世界又如何？以上的問題，包含科學知識和思維，也包含想像空間，是非常有趣的知性主題。如果臺灣的電視臺能製作科學知識與思維主題的談話節目，該有多棒啊！相信能帶動全民理性思考，跳脫理盲濫情的窠臼。 感謝讀書共和國快樂文化出版《原來科學家這樣想》三冊系列科普書，筆者有幸先睹為快，閱讀的樂趣源源不絕。在此臚列與略述《如果你跑得和光一樣快》的梗概，以及閱讀此書獲得的源頭活水，提供讀者參考。 其一，本書共十章，主題包含「科學家測量光速」的故事、「愛因斯坦相對論」淺談、「牛頓萬有引力」效應、「孿生子弔詭」的宇宙謎案、「黑洞、白洞和蟲洞」、「宇宙大霹靂和重力波」、「暗物質和暗能量」等。單元主題內容環環相扣，著重科學發展脈絡與思維，讀來趣味盎然，欲罷不能。 例如，閱讀「孿生子弔詭」，了解光速如何影響孿生兄弟，時空不同，歲月催人老。閱讀「黑洞、白洞和蟲洞」後，初步了解巨大質量的黑洞，聯結電影《星際效應》的諸多情節。「蟲洞」可能引發讀者想起韓劇《來自星星的你》，穿越時空的蟲洞，不僅具數學推論，更是劇作家撰寫科幻劇本的源頭活水。 其二，本書「不可思議的光速」、「萬有引力和重力彈弓效應」、「宇宙大霹靂和重力波」、「令人驚嘆的宇宙」等四章的內容正好契合臺灣現行的108課綱學習主題，可作為高中學生閱讀物理和地球科學的補充教材。 例如，教育部課綱中，高中學生必修物理的學習內容「伽利略對物體運動的研究與思辯歷程」、「克卜勒行星運動三大定律發現的歷史背景及內容」、「歷史上光的主要理論有微粒說和波動說」、「牛頓運動定律結合萬有引力定律可用來解釋克卜勒行星運動定律」、「光子和電子以及所有的微觀粒子都具有波粒二象性」、「天文學家發現遠方的星系都遠離我們而去，推知宇宙正在膨脹」、「目前宇宙形成的學說以霹靂說為主流」等，皆可在這本書中找到對應的內容。高中教師可將此書列入高一新生入學前的暑假讀物建議書單，更可以列為提升高中科學班、數理資優班學生閱讀與表達能力的科普書。 其三，閱讀這本書，不只讀故事和吸收知識，更能開拓科學視野，啟迪科學思維。每單元的主題結束後，提供讀者中肯鏗鏘的建言，如「科學猜想和胡思亂想不同，科學猜想可以透過觀察或實驗驗證」、「科學研究要耐得住性子。科學研究像一場馬拉松，抵達終點前必須一直努力」，提供莘莘學子省思。 從「想到」到「得到」，期間最重要的是「做到」。想要得到閱讀《如果你跑得和光一樣快》的樂趣，汲取科學研究的源頭活水，建議讀者一定要「做到」—翻開這本書沉靜地閱讀和反芻。 《原來科學家這樣想2：為什麼量子不能被複製》 【導讀】用不一樣的角度看世界 曾明騰／ SUPER教師 我們都聽說過相對論，但你聽過量子力學嗎？其實量子力學跟大家的生活息息相關！當你使用3C數位產品或享受便利的網路服務時，這些應用都與半導體產業有關，而半導體產業又跟量子力學有著密不可分的關係！有趣的是，開啟相對論和量子力學這兩扇科學大門的鑰匙，竟然就是我們每天都接觸的「光」。 這一切要從「微波大戰」說起。科學界在17世紀時曾經發生一場光學論述大戰，主角是兩位很有名的科學家，一位是鼎鼎大名的牛頓，另一位是惠更斯。 1666年牛頓透過三稜鏡將陽光色散出彩色光譜，進而提出光的微粒理論，但漸漸地人們發現，有些光學現象在牛頓微粒說之下有點格格不入。這時候，有「荷蘭阿基米德」之稱的惠更斯出現了。他在1678年提出光的波動理論，認為光不是由微粒所組成，而是一種波。這完全跟牛頓的微粒說概念背道而馳，因此引爆所謂的「微波大戰」，也就是微粒說與波動說的論述大戰。 最後，這場微波大戰到底是誰獲勝呢？ 一開始大師級的牛頓佔上風，直到1800年，一位牛頓的鐵粉卻不認為牛頓永遠都正確的醫生－－湯瑪斯?楊（亦稱楊氏），進行物理學史上知名的「雙狹縫干涉實驗」！實驗結果讓波動說重新占上風，但微粒說的信徒們負隅頑抗，不願屈服，直到光在水中傳遞的速率被測量出來後，證實波動說的論述：光在水中傳遞的速率比在空氣中傳遞的速率慢！但波動說真正的勝利卻要等到19世紀末電磁波的發現，證實光就是一種電磁波。 如果你以為波動說自此就能翹起二郎腿，無須擔心自家論述再被挑戰的話，那就大錯特錯了。因為科學家們永遠會抱持著一顆好奇的心，願意花時間去提問、思考、辯論、實驗、歸納、發表，為了探索宇宙間的科學真理，因此任何學說都可能被後來的科學家修正或推翻，看看知名的道耳吞「原子說」就知道了。透過後來科學家發現的自然界特例存在與觀測技術的發達，道耳吞「原子說」的主要核心內容一一被其他的科學家予以修正。 到了19世紀中後期，工業時代興起，工業大國大量地煉鋼，在鋼鐵的生產、加工、處理過程中，鋼水的溫度對產品的品質很重要，但根本不可能用溫度計來測試鋼水的高溫。你猜猜當時的人們是如何測量鋼水溫度呢？答案就是：用看的！ 因為鋼鐵在加熱過程中，會先微微發紅，然後變得通紅，再變成黃色，若溫度再高則變成青白色。過程中，需要有經驗的煉鋼工人透過觀察鐵水顏色來估算溫度，但這種方法多少會影響鋼鐵品質。 科學講求實驗證據，數學是科學論述的基礎，觀察與想像是推動新科學論述的動力，可想而知，科學家們對這樣的觀測方式無法苟同，因此後來知名科學家普朗克利用科學觀測的實際現象與相關實驗資料，再透過數學歸納演算而提出「黑體輻射公式」，有效地計算鋼水溫度，避免人為判斷誤差，而普朗克正是量子力學理論的奠基者！ 在國中理化科中，波動與光學是國二的學生們不陌生的單元，透過本書提到的微波大戰，相信更能讓國中的孩子們特別有感，原來光不只是波動傳遞能量，更是微粒啊！除了認識光的波粒二象性，也能了解在光的反射與折射現象中，原來隱藏著許多科學家對真理的論述與辯論，在在都能讓學生們學習如何提出疑惑→建立假設→實驗探究→整理歸納→論述發表的歷程，這也是有效培養解決問題能力的關鍵思維與行動。 希望透過科學家與科學原理的故事和歷程，讓大家可以用更不一樣的角度和思維來看身邊的人事物，也許下一個令人驚豔的科學新原理或新應用，就來自於你那量子糾纏般的聰明腦！ 《原來科學家這樣想3：如何測量宇宙膨脹的速度》 【導讀】一起探索宇宙的奧祕 李昫岱／屋頂上的天文學家主理人、中正大學兼任助理教授 我像是在海邊玩耍的小孩， 對偶然發現的美麗石頭或貝殼感到滿心歡喜， 卻忘了宇宙中的未知就像眼前大海般遼闊。 —牛頓 還記得小時候對世界充滿好奇，可以在沙灘上玩好久，急切的想知道沙灘上的砂粒有幾顆？為什麼海浪一直拍打著沙灘？海看不到邊，它到底有多大？海水為什麼是鹹的？海的那一邊是哪裡？每一件事都好有趣，好多的問題都想知道答案。 長大後知道的事愈來愈多，漸漸的每件事都變得習以為常，不再新鮮有趣。忙碌的生活和工作的壓力，讓人漸漸失去好奇心。 《如何測量宇宙膨脹的速度》描述天文學家探索宇宙的歷程，仔細看一下他們問的問題，你小時候可能也問過：宇宙有多大？宇宙怎麼來的？天文學家的心裡好像都住著一個長不大的小孩，這些小孩沒有隨著年齡長大，旺盛的好奇心永遠都想知道為什麼。 托勒密認為地球是宇宙的中心，日月行星繞著地球運行。哥白尼提出太陽才是宇宙的中心，行星以圓形軌道繞太陽。伽利略從望遠鏡看到金星出現月亮般的盈虧現象，證實金星繞著太陽運行而不是地球，證明哥白尼的想法是對的。克卜勒則用第谷的觀測資料，推導出行星以橢圓軌道繞太陽運行，讓哥白尼的日心說更加正確。 牛頓匯集前人的想法，加上自己獨特的見解，提出萬有引力理論，從此日月星辰的運行，都可以用牛頓力學來解釋。但是還是有一些牛頓力學無法解釋的少數例外，例如水星繞太陽公轉的軌道，與牛頓力學預測有些微的差異，後來愛因斯坦的相對論解決了這些問題。 牛頓和愛因斯坦兩位偉大的科學家都認為宇宙是靜止的，不膨脹也不收縮。1922年，蘇聯科學家弗里德曼從相對論中發現宇宙膨脹的可能性，他是最早提出宇宙不是靜止的科學家。1929年，美國天文學家哈伯透過望遠鏡發現整個宇宙正在膨脹，這個觀測上的證據顛覆了眾人的想法。後來的科學家根據這些宇宙膨脹的證據建立了大霹靂模型。 仔細看這些科學家，每個人在探索未知的歷程上都像是摸著石頭過河，他們改進前人的想法，接受其他人的檢驗，解決問題後，後人接棒後繼續前進，這正是科學可貴的地方。 科學家探索宇宙的腳步從不停歇。1998年，科學家意外發現宇宙不僅僅在膨脹，而且是加速膨脹！科學家認為宇宙加速膨脹來自於一股看不見、未知的能量，所以稱它為暗能量。另外，宇宙中除了我們熟悉的一般物質，還有所謂的暗物質，暗物質跟暗能量一樣都看不見，暗物質的量是一般物質的5倍！ 什麼是暗物質？為什麼比物質多卻看不見？暗能量又是什麼？這些宇宙的未解之謎，等待新一代科學家加入探索的行列，提出新的想法和思維，繼續探索宇宙的奧秘！

《原來科學家這樣想1：如果你跑得和光一樣快》 【導讀】為有源頭活水來—閱讀科普樂趣多 簡麗賢／北一女中物理科教師 愛因斯坦的名言：「想像力比知識重要。」然而，若要增強想像力，不能只空思冥想，閱讀不可或缺。例如，廣泛閱讀科普書籍，可以從科普書中獲得科學知識和思維，成為想像力的源頭活水，也能汲取閱讀的樂趣。 光是什麼？光速多快？如何測出光速？光具有哪些特性？如果我們跑得和光一樣快，甚至比光速快，這世界會變成怎樣？如果光不是直線前進，光會轉彎，這世界又如何？以上的問題，包含科學知識和思維，也包含想像空間...

《原來科學家這樣想》作者序
教孩子像科學家一樣思考
近兩年，每當我舉辦親子科普講座後，最多家長提問的問題是：「汪老師，能不能推薦幾本科普好書給我家孩子呢？」坦白說，此時我總是有點尷尬，因為我無法脫口而出，熱情地推薦某一本書。回想我小時候看過的科普書，主題大多是「飛碟是外星人的太空船」、「金字塔的神祕力量」等「世界未解之謎」。現在看來，這些書的內容多半屬於偽科學，毫無科學精神可言。
當我有分辨科普書的能力時，已經快三十歲了，自然不會再看寫給青少年的科普書。後來，隨著女兒漸漸長大，我開始為她挑選科普書，這才發現，想找到一本讓我完全滿意的青少年科普書，竟然那麼難。雖然市面上有《科學家故事100個》、《10萬個為什麼》、《昆蟲記》、《萬物簡史（少兒彩繪版）》等優秀作品，但我希望孩子閱讀科普書不僅能掌握科學知識，還能領悟科學思維。所謂科學素養，包括科學知識和科學思維，兩者相輔相成，缺一不可。只有兩者均衡發展，才能有效提升個人的科學素養。
也就是說，科學知識要學，但不能只學科學知識；科學家的故事要看，但也不能只看科學家的故事。
比科學故事更重要的是科學思維。
因此，我想寫一套啟發孩子科學思維的叢書，為他們補充並強化科普知識。跟孩子講如何學習科學思維，遠比成人困難得多，因為科學思維講求邏輯和實證，這些概念比較抽象。若想讓孩子理解抽象的概念，必須結合具體的科學知識和故事，而不是枯燥的說教。所以，給青少年看的科普書，首要重點是「好看」，沒有這個前提，其他都是空談。
在《原來科學家這樣想》這套叢書中，我會用淺顯易懂的語言、生動的故事，解答孩子最好奇的問題。例如：可能實現時間旅行嗎？黑洞、白洞跟蟲洞是什麼？光到底是什麼？量子隱形傳輸速度可以超光速嗎？宇宙有多大？宇宙的外面還有宇宙嗎？……除了回答孩子的10萬個為什麼，更重要的是教孩子像科學家一樣思考。
科學啟蒙，從這裡開始。
其三，閱讀這本書，不只讀故事和吸收知識，更能開拓科學視野，啟迪科學思維。每單元的主題結束後，提供讀者中肯鏗鏘的建言，如「科學猜想和胡思亂想不同，科學猜想可以透過觀察或實驗驗證」、「科學研究要耐得住性子。科學研究像一場馬拉松，抵達終點前必須一直努力」，提供莘莘學子省思。

從「想到」到「得到」，期間最重要的是「做到」。想要得到閱讀《如果你跑得和光一樣快》的樂趣，汲取科學研究的源頭活水，建議讀者一定要「做到」—翻開這本書沉靜地閱讀和反芻。

《原來科學家這樣想》作者序
教孩子像科學家一樣思考
近兩年，每當我舉辦親子科普講座後，最多家長提問的問題是：「汪老師，能不能推薦幾本科普好書給我家孩子呢？」坦白說，此時我總是有點尷尬，因為我無法脫口而出，熱情地推薦某一本書。回想我小時候看過的科普書，主題大多是「飛碟是外星人的太空船」、「金字塔的神祕力量」等「世界未解之謎」。現在看來，這些書的內容多半屬於偽科學，毫無科學精神可言。
當我有分辨科普書的能力時，已經快三十歲了，自然不會再看寫給青少年的科普書。後來，隨著女兒漸漸長大，我開始為她挑選科普...

《原來科學家這樣想1：如果你跑得和光一樣快》
導讀 為有源頭活水來——閱讀科普樂趣多 簡麗賢／北一女中物理科教師
序 教孩子像科學家一樣思考

第1章 不可思議的光速
伽利略測量光速／羅默證明光速有限／菲左成功測量出光速／如此怪異的光速

第2章 時間和長度都是相對
假如我跟光跑得一樣快／時間不是永恆不變／檢驗時間相對性的實驗／相對論不能長生不老，但可以一夜暴富／物體的長度也是相對

第3章 跟著「旅行者號」和「新視野號」遨遊太陽系
「旅行者號」的遠征／拜訪木星／拜訪土星／從太空看地球的最佳照片／拜訪天王星和
海王星／「新視野號」的遠征／揭開冥王星的神祕面紗

第4章 萬有引力和重力彈弓效應
牛頓的思想實驗／萬有引力／重力彈弓效應

第5章 一對雙胞胎引發的宇宙謎案
孿生子弔詭／等效原理

第6章 黑洞、白洞和蟲洞
彎曲時空／黑洞、白洞和蟲洞

第7章 宇宙大霹靂和重力波
哈伯的重大發現／膨脹的宇宙／宇宙大霹靂／重力波

第8章 時間旅行有可能嗎？
飛向未來有可能／超光速不可能／時間旅行的一種可能性／時間旅行可能產生邏輯矛盾

第9章 暗物質和暗能量
黑暗雙俠／暗物質之謎／暗能量之謎

第10章 令人驚嘆的宇宙
太陽系有多大／銀河系有多大／宇宙有多大／比科學故事更重要的是科學精神

《原來科學家這樣想2：為什麼量子不能被複製》
導讀 用不一樣的角度看世界 曾明騰／熱血老師
序 教孩子像科學家一樣思考

第1章 光是粒子還是波？
牛頓：光的微粒說／惠更斯：光的波動說／爭論焦點：折射／雙狹縫干涉實驗／帕松光斑／波動派完勝／證據為王

第2章 光電效應和黑體輻射
光電效應／波動學說的危機／鋼水的溫度／黑體輻射公式／量子化幽靈／波粒二象性／好奇不會害死貓

第3章 波耳的模型
轟擊原子／原子的結構／波耳對導師的疑慮／波耳模型的成功與煩惱／薛丁格波動方程／波耳不買賬／科學不愛求同存異

第4章 不確定性原理
海森堡／電子在哪裡？／不確定性原理／波耳的奇思妙想／量子力學第一原理／測量是一切科學研究的基礎

第5章 要命的雙狹縫
既是粒子又是波／繞射與干涉／如果光子是小球／左縫還是右縫／用電子代替光子／大膽假設，小心求證

第6章 EPR悖論
電子的角動量和自旋態／電子飛向偏振器的怪異結果／電子自旋態的不確定性／波耳的反擊／科學離不開實驗

第7章 量子糾纏
何為客觀實在性／貝爾不等式／愛因斯坦和波耳的分歧／上帝的判決／量子糾纏／科學離不開數學

第8章 量子電腦
量子糾纏鞋／傳統電腦配鑰匙／量子電腦配鑰匙／量子電腦解密的原理／科學理論是科技發明的翅膀

第9章 量子通信
量子通信解決什麼問題？／傳統通訊為什麼會被竊聽？／單光子通信方案／量子不可複製原理／科學研究是對現象的還原

第10章 量子力學不神祕
令人困惑的量子力學／原子衰變／薛丁格的貓／電子是客觀存在／月亮確定在那裡／世界是客觀存在

《原來科學家這樣想3：如何測量宇宙膨脹的速度》
導讀 一起探索宇宙的奧祕
李昫岱／屋頂上的天文學家主理人、中正大學兼任助理教授
序 跟著科學家探索宇宙奧祕

第1章 大地的形狀
天文學的誕生／大地之下，天邊之後／畢達哥拉斯的思辨／亞里斯多德的證據／思辨不能取代實證

第2章 日心說與地心說之爭
行星的奇怪運動路徑／古代天文學之大成／哥白尼單挑托勒密／思想不能有盲點

第3章 天空立法者
第谷的臨終託付／克卜勒第一定律／克卜勒第二定律／克卜勒第三定律／不要預設教條

第4章 四條原理統領宇宙
一個橢圓／《自然哲學的數學原理》面世／牛頓三定律和萬有引力／天體物理學／宇宙可以被理解

第5章 18世紀的天文學第一問題
三角測量法／哈雷的絕妙主意／史上最倒楣的天文學家／天文單位／知識來之不易

第6章 宇宙中的一座座孤島
伽利略看清銀河的真相／卡普坦宇宙／世紀天文大辯論／銀河系是一座孤島／永不消失的好奇心

第7章 宇宙的中心在哪裡？
哈伯發現星系退行／宇宙大霹靂／宇宙微波背景輻射／非比尋常的主張需要非比尋常的證據

第8章 宇宙的年齡原來這樣推算
如何測量麵團膨脹了多久？／如何測量宇宙膨脹了多久？／宇宙年齡的證據／沒有測量就沒有科學

第9章 宇宙有限還是無限？
宇宙有沒有邊界？／宇宙不按常理出牌／測量宇宙曲率的方法／不可思議的無限大／過程比結論更重要

第10章 宇宙終結之謎
追問宇宙命運的意義／熵增原理／宇宙熱寂假說／宇宙大撕裂假說／探索永無止境

《原來科學家這樣想1：如果你跑得和光一樣快》
導讀 為有源頭活水來——閱讀科普樂趣多 簡麗賢／北一女中物理科教師
序 教孩子像科學家一樣思考

第1章 不可思議的光速
伽利略測量光速／羅默證明光速有限／菲左成功測量出光速／如此怪異的光速

第2章 時間和長度都是相對
假如我跟光跑得一樣快／時間不是永恆不變／檢驗時間相對性的實驗／相對論不能長生不老，但可以一夜暴富／物體的長度也是相對

第3章 跟著「旅行者號」和「新視野號」遨遊太陽系
「旅行者號」的遠征／拜訪木星／拜訪土星／從太空看地球的最佳照片／拜訪...