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科學月刊叢書 總序

《科學月刊》社理事長 林基興

公益刊物《科學月刊》創辦於1970年1月，由海內外熱心促進我國科學發展的人士發起與支持，至今已經四十一年，總共即將出版五百期，總文章篇數則「不可勝數」；這些全是大家「智慧的結晶」。

《科學月刊》的讀者程度雖然設定在高一到大一，但大致上，愛好科技者均可從中領略不少知識；我們一直努力「白話說科學」，圖文並茂，希望達到普及科學的目標；相信讀者可從字裡行間領略到我們的努力。

早年，國內科技刊物稀少，《科學月刊》提供許多人「（科學）心靈的營養與慰藉」，鼓勵了不少人認識科學、以科學為志業。筆者這幾年邀稿時，三不五時遇到回音「我以前是貴刊讀者，受益良多，現在是我回饋的時候，當然樂意撰稿給貴刊」。唉呀，此際，筆者心中實在「暢快、叫好」！

《科學月刊》的文章通常經過細心審核與求證，圖表也力求搭配文章，另外又製作「小框框」解釋名詞。以前有雜誌標榜其文「歷久彌新」，我們不敢這麼說，但應該可說「提供正確科學知識、增進智性刺激思維」。其實，科學也只是人類文明之一，並非啥「特異功能」；科學求真、科學可否證（falsifiable）；科學家樂意認錯而努力改進──這是科學快速進步的主因。當然，科學要有自知之明，知所節制，畢竟科學不是萬能，而科學家不可自以為高人一等，更不可誤用（abuse）知識。至於一些人將科學家描繪為「科學怪人」（Frankenstein）或將科學物品說成科學怪物，則顯示社會需要更多的知識溝通，不「醜化或美化」科學。科學是「中性」的知識，怎麼應用科學則足以導致善惡的結果。

科學是「垂直累積」的知識，亦即基礎很重要，一層一層地加增知識，逐漸地，很可能無法用「直覺、常識」理解。（二十世紀初，心裡分析家弗洛伊德跟愛因斯坦抱怨，他的相對論在全世界只有十二人懂，但其心理分析則人人可插嘴。）因此，學習科學需要日積月累的功夫，例如，需要先懂普通化學，才能懂有機化學，接著才懂生物化學等；這可能是漫長而「如倒吃甘蔗」的歷程，大家願意耐心地踏上科學之旅？

科學知識可能不像「八卦」那樣引人注目，但讀者當可體驗到「知識就是力量」，基礎的科學知識讓人瞭解周遭環境運作的原因，接著是怎麼應用器物，甚至改善環境。知識可讓人脫貧、脫困。學得正確科學知識，可避免迷信之害，也可看穿江湖術士的花招，更可增進民生福祉。

這也是我們推出本叢書（「商務科普館」）的主因：許多科學家貢獻其智慧的結晶，寫成「白話」科學，方便大家理解與欣賞，編輯則盡力讓文章賞心悅目。因此，這麼好的知識若沒多推廣多可惜！感謝臺灣商務印書館跟我們合作，推出這套叢書，讓社會大眾品賞這些智慧的寶庫。

《科學月刊》有時被人批評缺乏彩色，不夠「吸睛」（可憐的家長，為了孩子，使盡各種招數引誘孩子「向學」）。彩色印刷除了美觀，確實在一些說明上方便與清楚多多。我們實在抱歉，因為財力不足，無法增加彩色；還好不少讀者體諒我們，「將就」些。我們已經努力做到「正確」與「易懂」，在成本與環保方面算是「已盡心力」，就當我們「樸素與踏實」吧。

從五百期中選出傑作，編輯成冊，我們的編輯委員們費了不少心力，包括微調與更新內容。他們均為「義工」，多年來默默奉獻於出點子、寫文章、審文章；感謝他們的熱心！

每一期刊物出版時，感覺「無中生有」，就像「生小孩」。現在本叢書要出版了，回顧所來徑，歷經多方「陣痛」與「催生」，終於生了這個「智慧的結晶」。



「商務科普館」刊印科學月刊精選集序

臺灣商務印書館總編輯 方鵬程

「科學月刊」是臺灣歷史最悠久的科普雜誌，四十年來對海內外的青少年提供了許多科學新知，導引許多青少年走向科學之路，為社會造就了許多有用的人才。「科學月刊」的貢獻，值得鼓掌。

在「科學月刊」慶祝成立四十周年之際，我們重新閱讀四十年來，「科學月刊」所發表的許多文章，仍然是值得青少年繼續閱讀的科學知識。雖然說，科學的發展日新月異，如果沒有過去學者們累積下來的知識與經驗，科學的發展不會那麼快速。何況經過「科學月刊」的主編們重新檢驗與排序，「科學月刊」編出的各類科學精選集，正好提供讀者們一個完整的知識體系。

臺灣商務印書館是臺灣歷史最悠久的出版社，自一九四七年成立以來，已經一甲子，對知識文化的傳承與提倡，一向是我們不能忘記的責任。近年來雖然也出版有教育意義的小說等大眾讀物，但是我們也沒有忘記大眾傳播的社會責任。

因此，當「科學月刊」決定挑選適當的文章編印精選集時，臺灣商務決定合作發行，參與這項有意義的活動，讓讀者們可以有系統的看到各類科學發展的軌跡與成就，讓青少年有興趣走上科學之路。這就是臺灣商務刊印「商務科普館」的由來。

「商務科普館」代表臺灣商務印書館對校園讀者的重視，和對知識傳播與文化傳承的承諾。期望這套由「科學月刊」編選的叢書，能夠帶給您一個有意義的未來。

謹序 2011年7月

媒體推薦：科學月刊叢書 總序

《科學月刊》社理事長 林基興

公益刊物《科學月刊》創辦於1970年1月，由海內外熱心促進我國科學發展的人士發起與支持，至今已經四十一年，總共即將出版五百期，總文章篇數則「不可勝數」；這些全是大家「智慧的結晶」。

《科學月刊》的讀者程度雖然設定在高一到大一，但大致上，愛好科技者均可從中領略不少知識；我們一直努力「白話說科學」，圖文並茂，希望達到普及科學的目標；相信讀者可從字裡行間領略到我們的努力。

早年，國內科技刊物稀少，《科學月刊》提供許多人「（科學）心靈的營養與慰藉」，鼓...

美與物理學

楊振寧

十九世紀物理學的三項最高成就是熱力學、電磁學與統計力學。其中統計力學奠基於馬克士威爾（J. Maxwell, 1831～1879）、波茲曼（L. Boltzmann, 1844～1905）與吉布斯（W.Gibbs, 1839～1903）的工作。波茲曼曾經說過〔註一〕：

一位音樂家在聽到幾個音節後，即能辨認出莫札特、貝多芬或舒伯特的音樂。同樣，一位數學家或物理學家也能在讀了數頁文字後，辨認出柯西、高斯、雅可比、荷姆霍玆或克希何夫的工作。

對於他的這一段話也許有人會發生疑問：科學是研究事實的，事實就是事實，那裡會有什麼風格？關於這一點我曾經有過如下的討論〔註二〕：

讓我們拿物理學來講吧！物理學的原理有它的結構，這個結構有它的美和妙的地方。而各個物理學工作者，對於這個結構的不同的美和妙的地方，有不同的感受。因為大家有不同的感受，所以每位工作者就會發展他自己獨特的研究方向和研究下法，也就是說他會形成他自己的風格。

今天我的演講就是要嘗試闡述上面這一段話。我們先從兩位著名物理學家的風格講起。

狄拉克

狄拉克（P. Dirac，1902～1984，圖一）是二十世紀一位大物理學家。關於他的故事很多。譬如：有一次狄拉克在普林斯頓大學演講，演講完畢，一位聽眾就起來 說：「我有一個問題請回答：我不懂怎麼可以從公式（2）推導出來公式（5）。」狄拉克不答。主持者說：「狄拉克教授，請回答他的問題。」狄拉克說：「他並 沒有問問題，只說了一句話。」

這個故事所以流傳極廣，是因為它確實描述了狄拉克的一個特點：話不多，而其內含有簡單、直接、原始的邏輯性。一旦抓住了他獨特的、別人想不到的邏輯，他的文章讀起來便很通順，就像「秋水文章不染塵」，沒有任何渣滓，直達深處，直達宇宙的奧秘。

狄拉克最了不得的工作是1928年發表的兩篇短文，寫下了狄拉克方程〔註三〕：

(pcα+mc2β)Ψ=EΨ （D）

這個簡單的方程式是驚天動地的成就，是劃時代的里程碑：它對原子結構及分子結構都給予了新的層面和新的極準確的了解。沒有這個方程，就沒有今天的原子分子 物理學與化學。沒有狄拉克引進的觀念，就不會有今天醫院裡通用的核磁共振成像（MRI）技術，不過此項技術實在只是狄拉克方程的一項極小的應用。

狄拉克方程「無中生有、石破天驚」地指出為什麼電子有「自旋」（spin），而且為什麼「自旋角動量」是1/2而不是整數。初次了解此中奧妙的人都無法不 驚歎其為「神來之筆」，是別人無法想到的妙算。當時最負盛名的海森堡（W. Heisenberg, 1901～1976）看了狄拉克的文章，無法了解狄拉克怎麼會想出此神來之筆，於1928年5月3日給鮑利（W. Pauli, 1900～1958）寫了一封信描述了他的煩惱〔註四〕：

為了不持續地被狄拉克所煩擾，我換了一個題目做，得到了一些成果。

狄拉克方程之妙處雖然當時立刻被同行所認識，可是它有一項前所未有的特性，叫做「負能」現象，這是大家所絕對不能接受的。狄拉克的文章發表以後三年間關於 負能現象有了許多複雜的討論，最後於1931年狄拉克又大膽提出「反粒子」理論（Theory of Antiparticles ）來解釋負能現象。這個理論當時更不為同行所接受，因而流傳了許多半羨慕半嘲弄的故事。直到1932年秋安德森（C. D. Anderson, 1905～1991）發現了電子的反粒子以後，大家才漸漸認識到反粒子理論又是物理學的另一個里程碑。

二十世紀的物理學家中，風格最獨特的就 數狄拉克了。我曾想把他的文章的風格寫下來給我的文、史、藝術方面的朋友們看，始終不知如何下筆。去年偶然在香港《大公報》大公園一欄上看到一篇文章，其 中引用了高適（700～765）在《答侯少府》中的詩句：「性靈出萬象，風骨超常倫。」我非常高興，覺得用這兩句請來描述狄拉克方程和反粒子理論是再好沒 有了：一方面狄拉克方程確實包羅萬象，而用「出」字描述狄拉克的靈感尤為傳神。另一方面，他於1928年以後四年間不顧波爾（N. Bohr, 1885～1962）、海森堡、鮑利等當時的大物理學家的冷嘲熱諷，始終堅持他的理論，而最後得到全勝，正合「風骨超常倫」。

可是什麼是「性靈」呢？這兩個字聯起來字典上的解釋不中肯。若直覺地把「性情」、「本性」、「心靈」、「靈魂」、「靈犀」、「聖靈」（Ghost）等加起 來似乎是指直接的、原始的、未加琢磨的思路，而這恰巧是狄拉克方程之精神。剛好此時我和香港中文大學童元方博士談到《二十一世紀》1996年6月號錢鎖橋 的一篇文章，才知道袁宏道（1568～1610）和後來的周作人（1885～1967）、林語堂（1895～1976）等的性靈論。袁宏道說他的弟弟袁中 道（1570～1623）的詩是「獨抒性靈，不拘格套」，這也正是狄拉克作風的特徵。「非從自己的胸臆流出，不肯下筆」，又正好描述了狄拉克的獨創性！

註一﹕見 Ludwig Boltzmann, ed. E.Broda（Oxbow Press, 1983）, p.23.

註二：楊振寧《讀書教學四十年》（香港：三聯書店，1985），116頁。

註三：此方程式中p是動量，c是光速（300000公里／秒），m是電子的質量，E是能量，Ψ是波函數，這些都是當時大家已熟悉的觀念。α和β是狄拉克引進的新觀念，十分簡單卻影響極大，在物理學和數學中都起了超級作用。

註四：譯自A. Pais, Inward Bound（Oxford University Press, 1986）, p.348。海森堡是當時最被狄拉克方程所煩擾的物理學家，因為他是這方面的大專家﹕1913年波爾最早提出了量子數的觀念，這些數都是整數。1921 年，還不到20歲的學生海森堡大膽提出量子數是1/2的可能，1925年兩位年輕的荷蘭物理學家把1/2的量子數解釋成自旋角動量。這一些發展都是唯象理 論，它們得到了許多與實驗極端符合的結果，十分成功，可是它們都還只是東拼西湊出來的理論。狄拉克方程則不然，它極美妙地解釋了為什麼自旋角動量必須是 1/2。由此我們很容易體會到當天才的海森堡看了狄拉克方程，在羨佩之餘必定會產生高度的煩惱。

美與物理學

楊振寧

十九世紀物理學的三項最高成就是熱力學、電磁學與統計力學。其中統計力學奠基於馬克士威爾（J. Maxwell, 1831～1879）、波茲曼（L. Boltzmann, 1844～1905）與吉布斯（W.Gibbs, 1839～1903）的工作。波茲曼曾經說過〔註一〕：

一位音樂家在聽到幾個音節後，即能辨認出莫札特、貝多芬或舒伯特的音樂。同樣，一位數學家或物理學家也能在讀了數頁文字後，辨認出柯西、高斯、雅可比、荷姆霍玆或克希何夫的工作。

對於他的這一段話也許有人會發生疑問：科學是研究事實的，事實就是事實，那裡會有什麼風格？關於這一點我曾...

主編序
1. 美與物理學 楊振寧
2. 愛因斯坦對二十一世紀理論物理學的影響 楊振寧
3. 藝術和科學 李政道
4. 量子力學、費曼與路徑積分 高涌泉
5. 電子發現100週年 倪簡白

物理的發展
6. 碎形──大自然的幾何學 潘濤譯
7. 夸克發跡──1990年諾貝爾物理獎 劉源俊
8. 相對論的先驅之一──麥克森 陳志忠
9. 時光隧道─蠹孔 郭中一
10. X射線的發現──談科學家追根究柢的精神 郭奕玲、沈慧君
11. 神秘的微中子 倪簡白

新的領域
12. 電子躍遷與雷射效應 郭艷光
13. 急遽升溫的超導 吳茂昆
14. 分數量子霍爾效應──新發現的量子流體 孫允武
15. 微電子科技的發展 施敏
16. 為什麼是碳而不是矽？ 許家偉
17. 人造衛星是怎樣發射的？ 張以棣
18. 微影技術簡介 陳啟東
19. 弦圈之爭──基本粒子研究進入戰國時代 沈致遠

主編序
1. 美與物理學 楊振寧
2. 愛因斯坦對二十一世紀理論物理學的影響 楊振寧
3. 藝術和科學 李政道
4. 量子力學、費曼與路徑積分 高涌泉
5. 電子發現100週年 倪簡白

物理的發展
6. 碎形──大自然的幾何學 潘濤譯
7. 夸克發跡──1990年諾貝爾物理獎 劉源俊
8. 相對論的先驅之一──麥克森 陳志忠
9. 時光隧道─蠹孔 郭中一
10. X射線的發現──談科學家追根究柢的精神 郭奕玲、沈慧君
11. 神秘的微中子 倪簡白

新的領域
12. 電子躍遷與雷射效應 郭艷光
13. 急遽升溫的超導 吳茂昆
14. ...