一、前言

重力堅持對於所有質量一視同仁。下回你上台演唱時,如果想要耍帥丟麥克風的動作,或是想從舞台往下跳進觀眾席的話,它可以助你一臂之力。

你把麥克風從身體的這邊水平拋往另一邊的時候,重力會在垂直方向施加它一貫的拉力,絲毫不去管水平方向發生了什麼事情。像這樣做事真是心無旁騖。所以說,假設你有辦法在一次跳躍中把麥克風來回拋好幾趟,只要兩腳一樣跳起,一樣落地,絕對都能穩穩接住麥克風,而且看起來真的是酷斃了。整個程序就像這樣:唱 — 跳 – 拋 – 落地 – 合音 – 從前排蹬回台上 – 唱 – 合音 – 大結尾。重力和前排觀眾都會幫你的忙。

上述兩段文字摘自本書第 7 章中的〈搖滾巨星善用重力〉這一節。由於作者至少同時擁有機械工程師與音樂人的雙重身份,因此,她的「玩重力」與「玩音樂」的雙重分享,顯得力道十足,令人心動。在介紹「運動與動量」(第 11 章)時,作者再度邀請牛頓出場的方式如下:

不知道運動和動量的定律,是不至於被抓去坐牢啦,不過,如果你想確保自己的紀錄乾乾淨淨,完全沒有前科,那一定要弄懂這些定律。我們再回頭去找牛頓,看看怎麼避免留下難看到不行的檔案照。

我們已經好久沒去管搖滾巨星牛頓先生了,沒想到他在後台引發一起小火災。過不了多久,他跑去問司機該上哪裡去買苦艾酒,然後開始大罵萊布尼茲有多爛,完全抄襲他前短後長的髮型。說實在,難道不能說你們倆都是危機分的發名人嗎?拜託,別再碎念,又不是拿第一就贏了;當然啦,通常是這樣沒錯,不過這件事另當別論。

這兩段文字非常「直白」且「時尚」,完全抓住年輕世代的敘事風格!因為要是讓我來書寫的話,我就不會扯到牛頓對萊布尼茲的不滿,「原來」是髮型抄襲 撞髮  的恩怨!這件事應該是虛構的,然而,卻緊緊貼近了年輕世代的俏皮與嘲謔。

因此,這是一本非常非常難得的科學普及讀物,至少對我的科普閱讀經驗來說,它完全不以物理新知介紹為目的,而是大辣辣地講解高中物理學。近三十年來,科普經典多半以宇宙物理、生命科學,乃至考古學以及演化論的進展前沿為主題,手法則是圖文並茂,處處挑動讀者的視覺美感經驗。儘管如此,本書至少在兩個方面上,表現得精彩絕倫,其一她對高中物理學的論述(discourse)與說明(explanation),十分貼近高中學生(尤其是女生)的生活經驗,其二則是她的用字遣詞非常「在地」,彷彿她就是對著一群姊妹淘,在講一些貼心私密的悄悄話。

這些「悄悄話」其實都有極深刻的意涵。在〈前言〉中,作者特別說明「本書的物理學任務」:

人生也許是易碎而不可靠的,人們也有可能發狂失控,但另一方面,重力、運動、能量和物質的行為舉止卻會以穩定且可度量的方式為之。了解這些定律,你就能在這一團混亂的世界擁有堅實的立足點;企圖在令人眼花撩亂的眾多選項中尋找方向時,也能有個地方站穩腳步。

具體地說,掌握了這些物理定律之後,還可以將其「比喻」(metaphor)運用在個人生活上:

  •  鍵結在一起的原子是了解浪漫愛情如何發生的最佳模型
  • 水沸騰變成蒸汽的過程,提醒你在人生不同階段轉換時要有耐心
  • 浮在水上的物體可以教你如何創造個人特有的浮力
  • 動量守恆的碰撞實驗,提示你堅持留在正軌上的最佳辦法

等等。總而言之,「物理定律提供美好、有組織的決策架構,還有令人安心的感覺 — 讓你知道人生並不全然是機率遊戲。」同時,「除了物理定律之外,沒有更好用的人生模型。」這是因為「我們是由原子構成的,也應該依循它們的道理。」「事實上,如果你了解這些定律並善加應用,當你的美好人生奏起搖滾旋律時,它們還會舉起小小的螢光棒跟著一起唱。」

像上述這麼露骨的「文以載道」,一般科普作家大概都缺乏足夠的膽識,貿然對青春美少女「說教」不過,本書作者克莉斯汀‧麥金利(Christine McKinley)人生閱歷豐富,「跨界」收放自如 — 她是機械工程師,也是作家、音樂人,以及電視歷史頻道的主持人,她的學習物理充滿了令人信服的見證。事實上,本書可以視為她高中就讀天主教女子中學的物理學習之「回憶錄」。

 

二、內容簡介

本書除了「引言」與「後記」之外,共有二十一章,其目次依序如下:

  1. 驗證你的假設  科學方法
  2. 空間是爭出來的  大自然最討厭真空
  3. 數字不但實用,還很優雅  數學不是用來怕的
  4. 人生切莫空轉  能量守恆定律
  5. 知道自己是哪一型  原子的吸引與鍵結
  6. 別穿內衣應門  理想氣體定律
  7. 大家的加速度都是一樣的  重力無所不在
  8. 用工程方法規劃人生  力與力圖分析
  9. 幫自己找根槓桿  機械利益
  10.  愛你的一切,愛你的疤  摩擦力
  11.  開車請繫好安全帶  運動與動量
  12.  讓宇宙定它的規矩
  13.  想辦法別讓自己沈下去  浮力
  14.  即使逃命也要很有型  流體
  15.  人生的混亂在所難免  熱力學第二定律
  16.  光速與音速也能救你一命  波
  17.  一飛沖天需要累積能量  物質的相變
  18.  愛迪生與特斯拉的啟示  電磁力
  19.  培養神秘感  飄忽不定的電子
  20.  尊重其他觀點  相對性
  21.  享受慢慢旅程  四種基本作用力

根據上述目次各章的副標題,本書的內容主要包括物理、化學以及機械裝置。此外,還涵蓋科學方法(第 1 章)及數學的有用與優雅(第 3 章)。為了讓讀者有機會更深入理解本書內容,除第 12 章之外,每章都有簡易的物理練習及解答(第3 章後則附數學練習)。還有,為了強調物理與日常生活經驗的連結,作者也在幾乎各章中,安排一節「生活物理學」。不過,這種連結通常是一種比喻,作者藉以分享她的生命經驗與智慧。譬如第 7 章的「生活物理學」這一節中,作者指出「人人都受重力作用」,「就算是最幸運的人也逃不過重力作用。當然,富二代可能有既美貌又具權勢的父母,可是你不也是活得好好的嗎?也許他出生時含著金湯匙,而你只能唱〈金包銀〉,但是我們呱呱墜地時的加速度都是一樣的。」

在第 1 章中,作者除了說明科學方法論之外,也現身說法,提及她如何得自繼父的照顧與啟發,從一個叛逆的初中少女成長為喜愛科學的高中女生。除了繼父查克  與她媽媽結婚時,即領養她們兩姊妹  這個模範角色(role model)之外,作者也提及她就學天主教女子學校時,許多老師對她的智性與人格之啟發。譬如說吧,在第 3 章中,作者就提及高三時,她的數學表現如何完全改觀:

三角學和基礎微積分是由十分時髦講究造型的強生小姐負責,她腳凳高跟長筒靴,披著直直的長髮,為數學代言既有魅力又有說服力。有一天,我去辦公室找她問問題,她帶著我看完一道又一道繪圖題,然後我們還聊到應該多久洗一次頭。她的小秘方是每兩天洗一次頭,這樣頭髮就能柔柔亮亮。三角學和美容方面的建議結合起來,讓我留下深刻印象,還在形塑中的的青春頭腦裡,數學已經和美緊緊纏繞在一起分不開。

在第 17 章與〈後記〉中,她再度懷念繼父的養育栽培之恩,因為他為了一家四口溫飽及兩姊妹教育資金,一直不眠不休工作。不幸,繼父卻在她獲得機械工程學位十天後,維修船舶時意外喪生。原來她希望開始承擔家計,可以讓繼父去拿工程學位。作者哀痛逾恆,不過,物理定律與繼父的遺澤,顯然給了她最大的慰藉:「在夢中,他已經找到方法運用物理定律陪伴在我身邊 — 我唯一還能相信的,就只剩那些定律了。」 當然,她也非常感念天主教女子中學的教育過程: 我真的很幸運,高中時念的是世俗而踏實的聖若瑟修女會所辦的學校,更幸運的是能在物理定律中找到歸宿。現在,只要看到物理定律在日常生活中發揮作用,我就有種感覺,彷彿看穿了這是界的秘密。」

現在,我打算在本書中挑選一些片段,來證明我如何喜歡本書的論述與敘事。至於本書其他的精彩內容(字字珠璣),我們就留給讀者自行欣賞就是了。

 

這些片段都涉及物理(或數學)的有用及優雅。首先,有關數學(第 3 章),作者認為「只要充分發揮,數學就真的能像詩一樣:簡潔、低調、有力。」她舉十九世紀俄國數學家蘇菲・科瓦列夫斯卡娅(Sofia Kovalevskaya)的說法為例。這位女數學家在艾略特(George Elliot)的英國家中,與赫胥黎、達爾文一起閒聊,曾經指出:「想成為數學家,必須具備詩人的心靈。」而此一說法的最早版本,被認為是柏林學派數學大師外爾斯特拉斯(Karl Weierstrass),他正是蘇菲・科瓦列夫斯卡娅的指導教授。

有關浮體(第 14 章),我最喜歡的片段就是:「飛機如何起飛上升?」作者在本章中,要我們下次搭乘飛機時,選一個靠窗且可看到機翼的座位,如此便可以發現:流經機翼上方的空氣比較快,才來得及通過弧形表面。由於機翼上方的空氣移動較快,表示壓力較小,而機翼下方的壓力較大,於是飛機就有了升力了。不過,更有趣的說明,則是作者轉述高中物理老師的實驗:拿著一張紙片的左右兩端,輕輕吹氣,讓氣流通過紙片的上方,那麼,這張紙片的下垂的一端就會提升上來。

這個升力所以產生,可以根據白努利(Bernoulli)原理來說明。在《我在MIT 燃燒物理魂》中,物理學家華爾達・魯文(Walter Lewin)提供了一個相同的(實驗)版本,值得引述如下:

手裡拿著一張白紙,例如一張 A4 紙,讓短的一端嘴巴前面(不是在嘴巴裡面)那張紙會因為重力而往下垂。現在用力朝著彎下來的紙的最上端吹氣,看看會發生什麼事。你會發現那張紙往上升。接著,根據你吹氣的用力程度,你甚至可以讓那張紙突然跳起來。你剛剛已經示範了白努利原理,而這個簡單現象還可以解釋飛機是怎麼飛行的。

當然,華爾達・魯文也沒忘了提醒我們:以波音 747 飛機為例,80%以上的提升力來自反作用提升力,只有不到 20%是白努利提升力。

類似這種論述科學知識的內容,也出現在第 15 章有關熱力學第二定律之介紹。作者利用熵(entropy)來說明洗三溫暖的一個經驗:

假設你去洗三溫暖,在蒸汽烤箱裡昏昏欲睡,心想就這樣睡著恐怕不太安全,於是在打盹前關掉加熱器,還把門打開。結果當你醒過來的時候,不但冷得發抖,還發現自己緊抱著一條濕毛巾。隔壁房間稍微變暖了一點點,而蒸汽烤箱則變涼了許多 — 各個房間的溫度都變得差不多。在溫度平衡的過程中,其他房間的分子能量獲得提升、速度加快;而蒸汽烤箱裡的分子能量因而降低,速度也變慢。整體來說,熵增加了,有用的能量變少。

在本章的「生活物理學」小節中,作者的主題是「駕馭混亂無序」。不過,好的混亂與壞的混亂還是值得區分。譬如,對愛因斯坦來說,他忙著整理整個宇宙,而裡面有好多東西等待釐清、等著被馴服。因此,他

光是要問對問題就夠難的了,更別說要把答案化約成簡潔而優雅的公式。所以,他讓混亂駕馭一部份的日常生活,而且用不著解釋或對其他人感到抱歉:他把那一頭亂髮獻給掌管熵的神祇。那傢伙是個天才。

針對愛因斯坦終其一生都夢想完成的統一場論,作者在本書最後一章(第21 章)介紹四種作用力:重力、電磁力、強交互作用力,以及若交互作用力。在說明如何比較重力與電磁力的大小時,作者運用了一個比喻:

我們不妨換個方法來搞懂該如何比較電磁力與重力的強度。下次出門旅行,當你往飯店床鋪飛撲而去,想試試它牢不牢固的時候(大家都會這麼做嘛),請稍微想一下:你為什麼不會穿過床掉下去?你從房門口就開始助跑,在半空中飛起,你身上的原子(幾乎空無一物)撞上床鋪的原子(也幾乎空無一物)。那麼,撞在一起後為什麼還能讓人很滿意地彈起來?為什麼你不會穿透床鋪掉到地上?同樣的道理,你為什麼不會穿透腳下的地板?

至於答案則是:「原子間彼此互斥的電磁力必須為撞擊負責」,這是「因為床鋪的原子中帶有質子,它們才不想接近你身體裡的質子。」同時,在本例中,電磁力比重力還要強。儘管「原子裡幾乎空無一物(除了原子核和小不拉嘰的電子),但原子之間卻以磁力使勁互推,所以你的手不會穿過牆壁或水泥。」

由上述引文可知,作者對於與電磁相關的這些物理知識相當得心應手。事實上,或許也由於作者曾經參與發電廠的設計,所以,當她在第 18 章說明愛迪生與特斯拉(Tesla)有關直流電 vs.交流電的著名爭議時,我們可以感受到她是真誠地同情特斯拉:特斯拉「贏了沒錯,但勝利來得不夠快,他無法親自享受。」

 

三、結論

由於本書作者麥金利是一位科技人(機械工程師)所以,她的論述(discourse)與敘事(narrative)與她自己的科技素養,特別是物理學,完全密不可分。因此,本書本質上相當不同於科學作家(science writer)所出版的數學寫作(science writing)書籍。讓我們將本書對比《科學的 9 堂入門課》。在後書中,作者昂吉兒(Natalie Angier)雖然在大學階段還是選修了許多科學課 — 她很早立志當作家,不過,她還是蠻辛酸地認定:科學寫作乃是「處於文學與新聞寫作的邊陲地帶」。換言之,這種科普書寫比不上文學作品或新聞報導(或寫作)就是了。

相反地,麥金利就沒有昂吉兒的「自怨自艾」,並將「酸葡萄化為自我防衛的哀嚎」。她不會責怪一般人對於科學的漠視與無知,取而代之地,她積極鼓勵年輕女孩「認真學習、瞭解世界的構造和作用力,因為你必須勇敢、堅強、聰明的時候,需要有個堅實穩固的踏腳石。即使你不會成為工程師或科學家,還是要學著像那些人一樣思考。」

麥金利的這種期許當然也適用於一般高中生與大學生。由於本書的書寫手法頗適合通識課程之需求,因此,我對本書的推薦,完全著重在這一方面。在一般的大學通識教育中,所謂的「哲學與人生」、「文學與人生」或「藝術與人生」等等,都是十分討喜的課程。現在,有了這本《物理才是最好的人生指南》,我想類似「物理與人生」這種課程,應該也可以成為熱門的通識選項才是。

針對十二年國教的所謂特色課程來說,本書尤其適用於打算進入人文社會專業的文組學生。高中學生,尤其是高中女生,與其上了大學之後被「強迫」選修科學通識課程,不如在高中時代選修類似「物理與人生」這類課程。相對而言,高中這種比較「從容的」學習環境,由於物理老師的教學可以放鬆心情,不須對學生學習成效念茲在茲,如此一定可以幫助這些高中生找到最佳的學習策略才是。

其實,針對以科學為專業主修的高中生來說,本書也非常值得深入研讀。本書當然沒有艱深的物理練習,來挑戰聰明的學生,不過,它的論述與敘事,卻可以啟發我們,原來從物理學這樣的「硬」科學(hard science)中,我們還是可以且應該看到這麼多「意在言外」的東西。有關這一點提醒,數學老師也責無旁貸,我們應該一起來幫助高中生分享作者所領悟的物理「人生指南」。

 

參考文獻

娜坦莉・昂吉兒 (2009).《科學的 9 堂入門課》,台北市:大塊文化出版社。

華爾達・盧文、沃輪・高斯坦 (2012).《我在 MIT 燃燒物理魂》,台北市:遠流出版公司。

 

2015/4/1 附記:本文已刊《高中數學電子報》第 96 期。

 

書名:物理才是最好的人生指南:讓宇宙定律為你效勞(Physics for Rock Stars: Making the Laws of the Universe Work for You)

作者:克莉斯汀‧麥金利(Christine McKinley)

譯者:崔宏立

出版社:究竟出版社,台北市

出版年:2015

出版資料:平裝本,354 頁

國際書碼:ISBN 978-986-137-197-9

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http://mathmuseum.tw/wp-content/uploads/2017/02/615_20150407110126.jpghttp://mathmuseum.tw/wp-content/uploads/2017/02/615_20150407110126-150x150.jpg洪 萬生深度書評科普書介,物理一、前言 重力堅持對於所有質量一視同仁。下回你上台演唱時,如果想要耍帥丟麥克風的動作,或是想從舞台往下跳進觀眾席的話,它可以助你一臂之力。 你把麥克風從身體的這邊水平拋往另一邊的時候,重力會在垂直方向施加它一貫的拉力,絲毫不去管水平方向發生了什麼事情。像這樣做事真是心無旁騖。所以說,假設你有辦法在一次跳躍中把麥克風來回拋好幾趟,只要兩腳一樣跳起,一樣落地,絕對都能穩穩接住麥克風,而且看起來真的是酷斃了。整個程序就像這樣:唱 -- 跳 – 拋 – 落地 – 合音 – 從前排蹬回台上 – 唱 – 合音 – 大結尾。重力和前排觀眾都會幫你的忙。 上述兩段文字摘自本書第 7 章中的〈搖滾巨星善用重力〉這一節。由於作者至少同時擁有機械工程師與音樂人的雙重身份,因此,她的「玩重力」與「玩音樂」的雙重分享,顯得力道十足,令人心動。在介紹「運動與動量」(第 11 章)時,作者再度邀請牛頓出場的方式如下: 不知道運動和動量的定律,是不至於被抓去坐牢啦,不過,如果你想確保自己的紀錄乾乾淨淨,完全沒有前科,那一定要弄懂這些定律。我們再回頭去找牛頓,看看怎麼避免留下難看到不行的檔案照。 我們已經好久沒去管搖滾巨星牛頓先生了,沒想到他在後台引發一起小火災。過不了多久,他跑去問司機該上哪裡去買苦艾酒,然後開始大罵萊布尼茲有多爛,完全抄襲他前短後長的髮型。說實在,難道不能說你們倆都是危機分的發名人嗎?拜託,別再碎念,又不是拿第一就贏了;當然啦,通常是這樣沒錯,不過這件事另當別論。 這兩段文字非常「直白」且「時尚」,完全抓住年輕世代的敘事風格!因為要是讓我來書寫的話,我就不會扯到牛頓對萊布尼茲的不滿,「原來」是髮型抄襲 —撞髮 — 的恩怨!這件事應該是虛構的,然而,卻緊緊貼近了年輕世代的俏皮與嘲謔。 因此,這是一本非常非常難得的科學普及讀物,至少對我的科普閱讀經驗來說,它完全不以物理新知介紹為目的,而是大辣辣地講解高中物理學。近三十年來,科普經典多半以宇宙物理、生命科學,乃至考古學以及演化論的進展前沿為主題,手法則是圖文並茂,處處挑動讀者的視覺美感經驗。儘管如此,本書至少在兩個方面上,表現得精彩絕倫,其一她對高中物理學的論述(discourse)與說明(explanation),十分貼近高中學生(尤其是女生)的生活經驗,其二則是她的用字遣詞非常「在地」,彷彿她就是對著一群姊妹淘,在講一些貼心私密的悄悄話。 這些「悄悄話」其實都有極深刻的意涵。在〈前言〉中,作者特別說明「本書的物理學任務」: 人生也許是易碎而不可靠的,人們也有可能發狂失控,但另一方面,重力、運動、能量和物質的行為舉止卻會以穩定且可度量的方式為之。了解這些定律,你就能在這一團混亂的世界擁有堅實的立足點;企圖在令人眼花撩亂的眾多選項中尋找方向時,也能有個地方站穩腳步。 具體地說,掌握了這些物理定律之後,還可以將其「比喻」(metaphor)運用在個人生活上:  鍵結在一起的原子是了解浪漫愛情如何發生的最佳模型 水沸騰變成蒸汽的過程,提醒你在人生不同階段轉換時要有耐心 浮在水上的物體可以教你如何創造個人特有的浮力 動量守恆的碰撞實驗,提示你堅持留在正軌上的最佳辦法 等等。總而言之,「物理定律提供美好、有組織的決策架構,還有令人安心的感覺 — 讓你知道人生並不全然是機率遊戲。」同時,「除了物理定律之外,沒有更好用的人生模型。」這是因為「我們是由原子構成的,也應該依循它們的道理。」「事實上,如果你了解這些定律並善加應用,當你的美好人生奏起搖滾旋律時,它們還會舉起小小的螢光棒跟著一起唱。」 像上述這麼露骨的「文以載道」,一般科普作家大概都缺乏足夠的膽識,貿然對青春美少女「說教」不過,本書作者克莉斯汀‧麥金利(Christine McKinley)人生閱歷豐富,「跨界」收放自如 — 她是機械工程師,也是作家、音樂人,以及電視歷史頻道的主持人,她的學習物理充滿了令人信服的見證。事實上,本書可以視為她高中就讀天主教女子中學的物理學習之「回憶錄」。   二、內容簡介 本書除了「引言」與「後記」之外,共有二十一章,其目次依序如下: 驗證你的假設 – 科學方法 空間是爭出來的 – 大自然最討厭真空 數字不但實用,還很優雅 – 數學不是用來怕的 人生切莫空轉 – 能量守恆定律 知道自己是哪一型 – 原子的吸引與鍵結 別穿內衣應門 – 理想氣體定律 大家的加速度都是一樣的 – 重力無所不在 用工程方法規劃人生 – 力與力圖分析 幫自己找根槓桿 – 機械利益  愛你的一切,愛你的疤 – 摩擦力  開車請繫好安全帶 – 運動與動量  讓宇宙定它的規矩  想辦法別讓自己沈下去 – 浮力  即使逃命也要很有型 – 流體  人生的混亂在所難免 – 熱力學第二定律  光速與音速也能救你一命 – 波  一飛沖天需要累積能量 – 物質的相變  愛迪生與特斯拉的啟示 – 電磁力  培養神秘感 – 飄忽不定的電子  尊重其他觀點 – 相對性  享受慢慢旅程 – 四種基本作用力 根據上述目次各章的副標題,本書的內容主要包括物理、化學以及機械裝置。此外,還涵蓋科學方法(第 1 章)及數學的有用與優雅(第 3 章)。為了讓讀者有機會更深入理解本書內容,除第 12 章之外,每章都有簡易的物理練習及解答(第3 章後則附數學練習)。還有,為了強調物理與日常生活經驗的連結,作者也在幾乎各章中,安排一節「生活物理學」。不過,這種連結通常是一種比喻,作者藉以分享她的生命經驗與智慧。譬如第 7 章的「生活物理學」這一節中,作者指出「人人都受重力作用」,「就算是最幸運的人也逃不過重力作用。當然,富二代可能有既美貌又具權勢的父母,可是你不也是活得好好的嗎?也許他出生時含著金湯匙,而你只能唱〈金包銀〉,但是我們呱呱墜地時的加速度都是一樣的。」 在第 1 章中,作者除了說明科學方法論之外,也現身說法,提及她如何得自繼父的照顧與啟發,從一個叛逆的初中少女成長為喜愛科學的高中女生。除了繼父查克 — 與她媽媽結婚時,即領養她們兩姊妹 — 這個模範角色(role model)之外,作者也提及她就學天主教女子學校時,許多老師對她的智性與人格之啟發。譬如說吧,在第 3 章中,作者就提及高三時,她的數學表現如何完全改觀: 三角學和基礎微積分是由十分時髦講究造型的強生小姐負責,她腳凳高跟長筒靴,披著直直的長髮,為數學代言既有魅力又有說服力。有一天,我去辦公室找她問問題,她帶著我看完一道又一道繪圖題,然後我們還聊到應該多久洗一次頭。她的小秘方是每兩天洗一次頭,這樣頭髮就能柔柔亮亮。三角學和美容方面的建議結合起來,讓我留下深刻印象,還在形塑中的的青春頭腦裡,數學已經和美緊緊纏繞在一起分不開。 在第 17 章與〈後記〉中,她再度懷念繼父的養育栽培之恩,因為他為了一家四口溫飽及兩姊妹教育資金,一直不眠不休工作。不幸,繼父卻在她獲得機械工程學位十天後,維修船舶時意外喪生。原來她希望開始承擔家計,可以讓繼父去拿工程學位。作者哀痛逾恆,不過,物理定律與繼父的遺澤,顯然給了她最大的慰藉:「在夢中,他已經找到方法運用物理定律陪伴在我身邊 — 我唯一還能相信的,就只剩那些定律了。」 當然,她也非常感念天主教女子中學的教育過程: 我真的很幸運,高中時念的是世俗而踏實的聖若瑟修女會所辦的學校,更幸運的是能在物理定律中找到歸宿。現在,只要看到物理定律在日常生活中發揮作用,我就有種感覺,彷彿看穿了這是界的秘密。」 現在,我打算在本書中挑選一些片段,來證明我如何喜歡本書的論述與敘事。至於本書其他的精彩內容(字字珠璣),我們就留給讀者自行欣賞就是了。   這些片段都涉及物理(或數學)的有用及優雅。首先,有關數學(第 3 章),作者認為「只要充分發揮,數學就真的能像詩一樣:簡潔、低調、有力。」她舉十九世紀俄國數學家蘇菲・科瓦列夫斯卡娅(Sofia Kovalevskaya)的說法為例。這位女數學家在艾略特(George Elliot)的英國家中,與赫胥黎、達爾文一起閒聊,曾經指出:「想成為數學家,必須具備詩人的心靈。」而此一說法的最早版本,被認為是柏林學派數學大師外爾斯特拉斯(Karl Weierstrass),他正是蘇菲・科瓦列夫斯卡娅的指導教授。 有關浮體(第 14 章),我最喜歡的片段就是:「飛機如何起飛上升?」作者在本章中,要我們下次搭乘飛機時,選一個靠窗且可看到機翼的座位,如此便可以發現:流經機翼上方的空氣比較快,才來得及通過弧形表面。由於機翼上方的空氣移動較快,表示壓力較小,而機翼下方的壓力較大,於是飛機就有了升力了。不過,更有趣的說明,則是作者轉述高中物理老師的實驗:拿著一張紙片的左右兩端,輕輕吹氣,讓氣流通過紙片的上方,那麼,這張紙片的下垂的一端就會提升上來。 這個升力所以產生,可以根據白努利(Bernoulli)原理來說明。在《我在MIT 燃燒物理魂》中,物理學家華爾達・魯文(Walter Lewin)提供了一個相同的(實驗)版本,值得引述如下: 手裡拿著一張白紙,例如一張 A4 紙,讓短的一端嘴巴前面(不是在嘴巴裡面)那張紙會因為重力而往下垂。現在用力朝著彎下來的紙的最上端吹氣,看看會發生什麼事。你會發現那張紙往上升。接著,根據你吹氣的用力程度,你甚至可以讓那張紙突然跳起來。你剛剛已經示範了白努利原理,而這個簡單現象還可以解釋飛機是怎麼飛行的。 當然,華爾達・魯文也沒忘了提醒我們:以波音 747 飛機為例,80%以上的提升力來自反作用提升力,只有不到 20%是白努利提升力。 類似這種論述科學知識的內容,也出現在第 15 章有關熱力學第二定律之介紹。作者利用熵(entropy)來說明洗三溫暖的一個經驗: 假設你去洗三溫暖,在蒸汽烤箱裡昏昏欲睡,心想就這樣睡著恐怕不太安全,於是在打盹前關掉加熱器,還把門打開。結果當你醒過來的時候,不但冷得發抖,還發現自己緊抱著一條濕毛巾。隔壁房間稍微變暖了一點點,而蒸汽烤箱則變涼了許多 — 各個房間的溫度都變得差不多。在溫度平衡的過程中,其他房間的分子能量獲得提升、速度加快;而蒸汽烤箱裡的分子能量因而降低,速度也變慢。整體來說,熵增加了,有用的能量變少。 在本章的「生活物理學」小節中,作者的主題是「駕馭混亂無序」。不過,好的混亂與壞的混亂還是值得區分。譬如,對愛因斯坦來說,他忙著整理整個宇宙,而裡面有好多東西等待釐清、等著被馴服。因此,他 光是要問對問題就夠難的了,更別說要把答案化約成簡潔而優雅的公式。所以,他讓混亂駕馭一部份的日常生活,而且用不著解釋或對其他人感到抱歉:他把那一頭亂髮獻給掌管熵的神祇。那傢伙是個天才。 針對愛因斯坦終其一生都夢想完成的統一場論,作者在本書最後一章(第21 章)介紹四種作用力:重力、電磁力、強交互作用力,以及若交互作用力。在說明如何比較重力與電磁力的大小時,作者運用了一個比喻: 我們不妨換個方法來搞懂該如何比較電磁力與重力的強度。下次出門旅行,當你往飯店床鋪飛撲而去,想試試它牢不牢固的時候(大家都會這麼做嘛),請稍微想一下:你為什麼不會穿過床掉下去?你從房門口就開始助跑,在半空中飛起,你身上的原子(幾乎空無一物)撞上床鋪的原子(也幾乎空無一物)。那麼,撞在一起後為什麼還能讓人很滿意地彈起來?為什麼你不會穿透床鋪掉到地上?同樣的道理,你為什麼不會穿透腳下的地板? 至於答案則是:「原子間彼此互斥的電磁力必須為撞擊負責」,這是「因為床鋪的原子中帶有質子,它們才不想接近你身體裡的質子。」同時,在本例中,電磁力比重力還要強。儘管「原子裡幾乎空無一物(除了原子核和小不拉嘰的電子),但原子之間卻以磁力使勁互推,所以你的手不會穿過牆壁或水泥。」 由上述引文可知,作者對於與電磁相關的這些物理知識相當得心應手。事實上,或許也由於作者曾經參與發電廠的設計,所以,當她在第 18 章說明愛迪生與特斯拉(Tesla)有關直流電 vs.交流電的著名爭議時,我們可以感受到她是真誠地同情特斯拉:特斯拉「贏了沒錯,但勝利來得不夠快,他無法親自享受。」   三、結論 由於本書作者麥金利是一位科技人(機械工程師)所以,她的論述(discourse)與敘事(narrative)與她自己的科技素養,特別是物理學,完全密不可分。因此,本書本質上相當不同於科學作家(science writer)所出版的數學寫作(science writing)書籍。讓我們將本書對比《科學的 9 堂入門課》。在後書中,作者昂吉兒(Natalie Angier)雖然在大學階段還是選修了許多科學課 — 她很早立志當作家,不過,她還是蠻辛酸地認定:科學寫作乃是「處於文學與新聞寫作的邊陲地帶」。換言之,這種科普書寫比不上文學作品或新聞報導(或寫作)就是了。 相反地,麥金利就沒有昂吉兒的「自怨自艾」,並將「酸葡萄化為自我防衛的哀嚎」。她不會責怪一般人對於科學的漠視與無知,取而代之地,她積極鼓勵年輕女孩「認真學習、瞭解世界的構造和作用力,因為你必須勇敢、堅強、聰明的時候,需要有個堅實穩固的踏腳石。即使你不會成為工程師或科學家,還是要學著像那些人一樣思考。」 麥金利的這種期許當然也適用於一般高中生與大學生。由於本書的書寫手法頗適合通識課程之需求,因此,我對本書的推薦,完全著重在這一方面。在一般的大學通識教育中,所謂的「哲學與人生」、「文學與人生」或「藝術與人生」等等,都是十分討喜的課程。現在,有了這本《物理才是最好的人生指南》,我想類似「物理與人生」這種課程,應該也可以成為熱門的通識選項才是。 針對十二年國教的所謂特色課程來說,本書尤其適用於打算進入人文社會專業的文組學生。高中學生,尤其是高中女生,與其上了大學之後被「強迫」選修科學通識課程,不如在高中時代選修類似「物理與人生」這類課程。相對而言,高中這種比較「從容的」學習環境,由於物理老師的教學可以放鬆心情,不須對學生學習成效念茲在茲,如此一定可以幫助這些高中生找到最佳的學習策略才是。 其實,針對以科學為專業主修的高中生來說,本書也非常值得深入研讀。本書當然沒有艱深的物理練習,來挑戰聰明的學生,不過,它的論述與敘事,卻可以啟發我們,原來從物理學這樣的「硬」科學(hard science)中,我們還是可以且應該看到這麼多「意在言外」的東西。有關這一點提醒,數學老師也責無旁貸,我們應該一起來幫助高中生分享作者所領悟的物理「人生指南」。   參考文獻 娜坦莉・昂吉兒 (2009).《科學的 9 堂入門課》,台北市:大塊文化出版社。 華爾達・盧文、沃輪・高斯坦 (2012).《我在 MIT 燃燒物理魂》,台北市:遠流出版公司。   2015/4/1 附記:本文已刊《高中數學電子報》第 96 期。   書名:物理才是最好的人生指南:讓宇宙定律為你效勞(Physics for Rock Stars: Making the Laws of the Universe Work for You) 作者:克莉斯汀‧麥金利(Christine McKinley) 譯者:崔宏立 出版社:究竟出版社,台北市 出版年:2015 出版資料:平裝本,354 頁 國際書碼:ISBN 978-986-137-197-9 全文下載Museum of Mathematics @ Taiwan