難得一見的科普作品:《物理才是最好的人生指南》
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
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