費曼的6堂Easy物理課 | 誠品線上

Six Easy Pieces: Essentials of Physics Explained by Its Most Brilliant Teacher

內容簡介

內容簡介 值得等待的科學讀物 無法取代的經典作品 這本《費曼的6堂Easy物理課》，是直接從《費曼物理學講義》精選出來的。原先重輯的目的，是要讓一般讀者從那部劃時代的名著內、不太複雜的頭幾章文字裡，直接見識一下費曼的教育家風采。不料這本小書遠遠超出了我們的預期，它成為非科學家的物理學入門，也被用來當作介紹費曼這位偉人的初階讀物。 本書在題材選擇上，旨意不在使它成為近代物理學的概述，而是提供一個體驗費曼物理觀的引子……第二次世界大戰後不久，物理學的基礎已經相當穩定，理論結構也漸臻成熟，唯獨的負面形勢，就是袖手旁觀、跟著起鬨的人多，真正動手動腦、從事開創的人少。費曼自甫出校門，即邁入一個充滿許多抽象概念的奇境，然後他把個人獨創品牌的思想，深植於許多世人的心中。這本書給了我們一個難得的機會，得以一窺這位偉大人物的內心世界。

作者介紹

作者介紹 ■作者簡介費曼1918年，費曼誕生於紐約市布魯克林區，1942年，從普林斯頓大學取得博士學位。第二次世界大戰期間，他曾在美國設於新墨西哥州的羅沙拉摩斯（Los Alamos）實驗室服務，參與研發原子彈的曼哈坦計畫（Manhattan Project），當時雖然年紀很輕，卻已經是計畫中的重要角色。隨後，他任教於康乃爾大學以及加州理工學院。1965年，由於費曼在量子電動力學的成就，與朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）、許溫格（Julian Schwinger）兩人，共同獲得該年度的諾貝爾物理獎。費曼博士為量子電動力學理論解決了不少問題，同時他首創了一個解釋液態氦超流體現象的數學理論。之後，他跟葛爾曼（Murray Gell-Mann）合作，研究弱交互作用（例如貝他衰變），做了許多奠基工作。後來數年，費曼成為發展夸克（quark）理論的關鍵人物，提出了在高能量質子對撞過程中的成子（parton）模型。在這些重大成就之外，費曼博士把一些基本的新計算技術跟記法，介紹給了物理學。其中包括幾乎無所不在的費曼圖，因而改變了基礎物理觀念化與計算的過程，成為可能是近代科學史上，最膾炙人口的一種表述方式。費曼是一位非常能幹有為的教育家，在他一生所獲多得數不清的各式各樣獎賞中，他特別珍惜1972年獲得的厄司特杏壇獎章（Oersted Medal for Teaching）。《費曼物理學講義》一書最初發行於1963年，當時有位《科學美國人》雜誌的書評稱該書為「……真是難啃，但是非常營養，尤其是風味絕佳，為二十五年來僅見！是教師及最優秀入門學生的指南。」為了增長一般民眾的物理知識，費曼博士寫了一本《物理之美》（The Character of Physical Law）以及《量子電動力學》（Q.E.D.: The Strange Theory of Light and Matter）。他還寫下一些專精的論著，成為後來物理學研究者與學生的標準參考資料跟教科書。費曼是一位建設性的公眾人物。幾乎家喻戶曉他參與「挑戰者號」太空梭失事調查工作的事跡，尤其是他當眾證明橡皮墊圈不耐低溫的那一幕，是一場非常優雅的即席實驗示範，而他所使用的道具不過冰水一杯！比較鮮為人知的事例，是費曼博士於1960年代中，在加州大學課程委員會任上所做的努力，他非常不滿當時教科書之庸俗平凡。僅僅重複敘說費曼一生中，於科學上與教育上的無數成就，並不足以說明他這個人的特色。正如任何讀過他即使最技術性著作的人都知道，他的作品裡外都散發著他鮮活跟多采多姿的個性。在物理學家正務之餘，費曼也曾把時間花在修理收音機、開保險櫃、畫畫、跳舞、表演森巴小鼓、甚至試圖翻譯馬雅古文明的象形文字上。他永遠對周圍的世界感到好奇，是位一切都要積極嘗試的模範人物。費曼於1988年2月15日在洛杉磯與世長辭。■譯者簡介師明睿普度大學生物化學博士。先後在衛生署預防醫學研究所、中研院生醫所及生農所籌備處從事研究，參與台灣疫苗政策評估規劃、日本腦炎新款疫苗研發、以及中草藥金線蓮藥理之動物研究，現任職於疾病管制局。暇時從事自由翻譯工作。譯作有《費曼的6堂Easy物理課》、《費曼的6堂Easy相對論》、《觀念物理Ⅲ：物質三態．熱學》（皆為天下文化出版）等。翻譯本書第1～5堂課。 高涌泉加州大學柏克萊分校物理博士。現任臺灣大學物理學系教授，專長為場論與粒子物理，認為量子力學是最奇妙的學問。喜歡柏拉圖、達爾文、愛因斯坦、費曼、魯迅的作品，也喜歡看各式各樣的電影與棒球比賽。除了學術論文以外，著有《另一種鼓聲：科學筆記》、《武士與旅人：續科學筆記》。翻譯本書第6堂課。

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產品目錄 出版緣起導讀 偉哉！費曼 戴維思第1堂課 運動中的原子 物理該從哪兒學起？ 一切物質由原子組成 原子與變化過程 化學反應第2堂課 基本物理學 這就是科學方法 1920年以前的物理學 量子物理學 原子核與粒子第3堂課 物理學與其他科學的關係 物理無所不包 化學 生物學 天文學 地質學 心理學 它是怎麼來的呢？第4堂課 能量守恆 能量是什麼？ 重力位能 動能 其他形態的能量 其他守恆律第5堂課 重力理論 行星運動 刻卜勒定律 動力學之發展 牛頓的重力定律 萬有引力 卡文迪西實驗 重力究竟是什麼？ 重力與相對論第6堂課 量子行為 原子力學 子彈實驗 水波實驗 電子實驗 電子波的干涉 觀看電子 量子力學的首要原理 測不準原理附錄一 最偉大的教師附錄二 費曼序

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試閱文字

內文 : 第1堂課 運動中的原子

物理該從哪兒學起？

我們提供這門連續兩年的物理學課程，是基於一個構想，那就是讀者你將來的志趣是要成為物理學家。當然這絕不意味著，將來不想要當物理學家的人就不該讀這部書。這只是每門課的任課教授一定都得這樣假設罷了！不過如果你果真要做物理學家的話，你可是有著一大堆東西該去學習的，因為過去兩百年來，物理學是發展得最快速的一門知識學問。累積知識之多，你會認為即使花四年時間也學習不完。事實上也確乎如此，欲窺全豹，四年之後你還得上研究所呢！
相當教人吃驚的是，雖然長久的兩百年時間內，世上的物理學家做了許許多多的研究，得到了的大量結果，卻可以大幅度的濃縮起來。也就是說，我們可以分門別類，把類似的結果歸納成各種簡單、明確的定律（law），來概述我們所有的知識。雖然話是這麼說，這些定律可是非常難以掌握，任何人若要開始研究這麼難的課題，最好得先準備一些諸如導引圖、大綱之類的基本資料，藉以明瞭科學各類課題之間的相互關係。基於這個粗淺的看法，我們將用前三堂課，把物理與其他科學之間的關係、各門科學的相互關係、以及科學的意義，描繪出一些輪廓來，幫助我們對這門課建立起一些「感覺」來。
你也許要問，為什麼我們不師法歐氏幾何學的方式？歐氏幾何學的做法是先陳述公理，然後做出各式各樣的演繹。我們可以從第1頁開始，就把物理學有關的一些基本定律逐條列舉出來，接著分別說明在所有可能情況下，它們各自如何運作。（啊！我知道了，你一定是嫌花四年學物理，時間太長，你是恨不得在四分鐘內，就能夠把物理學完吧？）我們有兩個理由不能夠這麼去做，第一，到目前為止，我們還不完全「知道」所有的基本定律，事實上，我們不知道的事情是愈來愈多。第二，要正確描述物理學的定律，得牽涉到一些非常稀奇古怪的觀念，而這些觀念的說明，需要用到高深的數學。因此，任何人學習物理學，得受相當多的預備訓練，即使學習有關的「詞彙」亦不例外。總之，學物理沒有捷徑，我們只能一點一滴慢慢來。
整個自然界中每一小件事物或零件，永遠只是跟絕對真實，或者應該說我們認知上的真實，僅僅「近似」（approximation）而已。事實上，我們以為我們所知道的每件事，都只能說是似乎是或差不多而已，其理由就在「我們確知我們並不清楚所有的定律」。如此一來，我們必須先有心理準備，好不容易學到的知識，不定何時又會被人發現不妥當，必須整個翻案或者局部修正。
我們幾幾乎乎可以把科學的主旨，定義為「一切知識有賴實驗來檢驗真偽」，或者說實驗是科學真理的「唯一裁判」。但是知識的源頭究竟是啥？而那些接受檢驗的定律又是從哪裡冒出來的？固然實驗本身藉由它的提示作用，賦予我們一些靈感，幫我們製造出這些定律來，但是在過程上，我們還需要有豐富的想像力，才能把實驗結果裡的許許多多提示，大而化之地歸納起來。也就是對隱藏在事物表面下，各種既奇妙、又單純、可是又非常怪異的共通模式，做概括性的揣測。然後再透過實驗去查核所揣測的是否正確。
這樣子的想像步驟著實是非常不容易，以致於做研究的物理學界人士，為之分成了兩個陣營。其一是理論物理學家，他們的工作是純想像、推演、猜想出新的定律來，但不作興做實驗。然後是實驗物理學家，他們則是從做實驗開始，想像、推演、再猜想出新的定律。
我們前面說過，自然律都只是些近似的揣測。通常我們會先發現一些「不太對的」定律，然後才發現一些「改正了的」定律。問題是實驗怎麼可能會搞成「不太對的」呢？首先是些小地方，譬如所用的儀器出了故障，而你可能沒有覺察到，以為儀器運作正常，哪知實驗結果完全荒腔走板。不過這點不難克服，只要經常仔細對照檢查，應能及時發現問題，就不會造成意外結果。
那麼如果可以肯定沒有這類小意外，實驗結果又如何「能夠」不太對呢？唯一的原因就是實驗做得不夠精確。比方說，以前人們發現，每一件物品的質量好像一直都不會改變，一個陀螺在旋轉時，重量跟它靜止時完全相同。因而早期人們發明了一則「定律」，說質量固定不變，與速度沒有關係。這則「定律」如今已經被人發現不對，質量實際上是跟著速度加快而在增加的，只是速度必須接近光速時，質量上的增加才能夠測量得出來。所以，改正後的定律應該是這麼說：要是一件物品的移動速率小於每秒一百英里，它的質量變化不會超過百萬分之一，用一般的測量方法無法量出來。在此預設條件下，我們姑且認為質量是固定不變的。
這樣的近似說法，就變成了對的定律。不過在實用上，有人可能認為，這個新的定律跟原來的並沒有什麼顯著差異。這樣子的認定是對也是不對，因為如果只是我們尋常見到的速率，就壓根兒不必計較，原先簡單的質量不變定律就差不到那裡去。但一旦速率變得很高時，質量不變定律就會顯得與事實不符，而且速率愈高，不對的程度也就愈大。
最後，也是最耐人尋味的一點是，以哲學觀點來看，任何近似定律都是我們對事實的徹底扭曲。因為即使變化非常微不足道，質量變抑或不變都會使得我們對整個世界產生截然不同的看法。這是藏在定律背後的哲學基礎或觀念所具有的特質，往往我們為著一丁點不起眼的效果，而必須在觀念上做極其重大的改革。
那麼我們應該先教些什麼呢？是一開始就把修正過、因而不再是一般人能夠視為當然的定律，以及它所秉持的一些稀奇、難懂的概念，介紹出來？比如相對論、四維的時空等等。還是先教些簡單易懂的如「質量不變」定律？雖然明知都只是一些近似的玩意兒，但好處是不牽涉到太困難的觀念問題。前者比較刺激、新奇、有趣，後者則比較容易一聽就懂，並且往往可做為真正了解新觀念的第一步。這項選擇題在教物理學時會一再出現，每次取捨則都得依情況而不同。不過在每一個階段裡，最好能夠了解到目前已經知道多少，所知道的有多精確，跟同時學到的其他東西如何互相配合。而且心裡上早有準備，學到後來，知道得更多之後，隨時還可能有變數發生。
現在我們就要開始，把現代科學知識的輪廓或大綱，描繪出或排列出來。此處當然是以物理學為主，而以其他科學為輔。目的是將來逐一討論特殊議題時，我們會對該議題的來龍去脈、有何重要性，以及跟整個科學大局有啥關聯，預先就有所了解。那麼就整體來看，世界究竟是個什麼樣子呢？

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