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我在MIT燃燒物理魂
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內容簡介

  華爾達.盧文(Walter Lewin),當代頂尖的天文物理學家,在美國麻省理工學院(MIT)任教逾三十年,發表科學論文超過450篇。但花去他最多心力的,卻是開設在大學部的三門基礎物理課。

  「我一直嘗試將物理活生生地呈現在學生面前……幫他們用不同的角度看這世界……這也是本書的用意:幫你開啟雙眼,讓你看到物理是以多麼特別的方式支配著這世界,也讓你見識到物理本身令人讚嘆的優雅與美麗!」

  他把自己的身體當成實驗器材,而上課,則經常像魔術表演或玩命的特技,「畢竟,科學需要有人做點犧牲。」這是他的口頭禪。

  例如在教室裡變出一片藍天及一朵白雲;教你在自家做出一道彩虹,並且把它握在手上;或者在課堂上對著兩個油漆罐開槍,結果裝滿水的那罐炸了開來,九分滿的卻沒有,目的是跟學生證明,水是無法壓縮的,但是空氣可以;甚至將自己充電到三十萬伏特,讓頭髮全都豎立起來,然後告訴學生:高電壓本身並不會致命,關鍵是穿過你身體的電流有多少……

  「物理是對的!」他大叫。

作者簡介

華爾達.盧文(Walter Lewin)

  在荷蘭出生、長大,1965年於德夫特理工大學(University of Technology in Deft)拿到物理博士學位。1966年他到麻省理工學院擔任博士後研究員,同一年成為助理教授,並在1974年升任正教授。他是傑出的天文物理學家,是X射線天文學的先驅,已發表的科學論文超過450篇。

  三十多年來,盧文在MIT教授三門物理學核心課程,由於非常受歡迎,因此還被拍成影片放到MIT開放課程(OpenCourseWare)、YouTube、iTunes U及Academic Earth上,點閱率極高──每年都超過一百萬人次。包括《紐約時報》《波士頓環球報》《國際先驅論壇報》等著名媒體,都曾報導他這些課程獲得的高評價。

  他的學術榮譽與獲得的獎項包括NASA傑出科學成就獎(1978)、亞歷山大.范.洪堡獎、古根漢基金獎(1984)、MIT科學委員會的傑出大學部教學獎(1984)、MIT物理系的布奇納(W. Buechner)獎(1988)、NASA的團隊成就獎(1997)(因為發現了爆發脈衝星),以及獎勵傑出大學部教學的貝克獎(Everett Moore Baker Award)(2003)。1993年,他成為皇家荷蘭人文與科學研究院的通訊院士,以及美國物理學會的院士。

沃倫.高斯坦(Warren Goldstein)

  哈特弗大學歷史系教授兼系主任,曾因學術創新而獲頒班特獎(James E. and Frances W. Bent Award)(2006)。

  他對物理一直都非常感興趣。同時,他也是多產而且獲獎無數的歷史學家、評論作家、記者及演說者。作品包括Playing for Keeps: A History of Early Baseball及評價很高的傳記William Sloane Coffin, Jr.: A Holy Impatience;其他關於歷史、教育、宗教、政治及運動的評論文章則散見《紐約時報》《華盛頓郵報》《高等教育紀事報》等報刊。

譯者簡介

蔡承志

  畢業於台大物理系。英國愛丁堡大學數學博士。目前為馬偕醫學院全人教育中心副教授。著有《邏輯學的故事》《邏輯學入門》(與林照田教授合著);譯有《學微積分,也學人生》《超高效心智圖學習法》《數學馬戲團》《語言與真實》等。

 

推薦序1

〈散發物理教學的熱情〉

  如果以科普書的標準來評價這本書,它太物理了;如果以物理書籍的標準來評價這本書,它又太科普了!但是,如果你對自然界的奧妙存在著好奇,那就不必懷疑,這本書一定可以領你一窺堂奧。

  作者將其數十年來在美國頂尖學府──MIT教授物理的內容寫成此書,讓人翻閱書籍的時候,有著身歷其境的臨場感。看到動物骨骼與體型關係的篇章,我們彷彿在現場看到了那些動物化石;看到單擺擺動週期與擺錘重量關係的演示單元,我們彷彿看到頑皮而可憐的作者正抱著擺錘「盪鞦韆」;看到有關彩虹的描述,我們就恨不得老天爺趕緊下一場雨,讓我們驗證尋找彩虹的方法;看到作者小時候的際遇,我們又不禁由衷譴責軍國主義的暴力與殘忍!

  在台灣,尤其是高中教育,我們常常認為沒有了數學,就很難將物理的美表達完整。有時候,看到物理演示教學,讚嘆精彩畫面之餘,往往覺得很難將其涵蓋的所有物理概念講清楚,更別奢望將物理與人文做適度的連結了。但是,在《我在MIT 燃燒物理魂》這本書中,作者以其專業知識教授物理,可以不必用數學就將物理表演得生動逼真,也可以不必使用艱深的數學就將物理講解得清清楚楚,遇到必要而繁雜的數學過程,他則保留到附錄裡,讓有興趣或有需要的人自己翻閱。最令人驚訝的,是他可以將歷史的殘酷以及他對家人(尤其是外婆)的思念與敬佩,融入物理教學中,傳達給他的學生以及讀者。

  看完此書,我們當可知道,生活中無處不是物理。

  事實上,物理無所不在,只怕我們不願用心察覺。

  不知你身上現在是否帶著偏振片?錯過觀察,就難以接近物理了。

王昭富(台中一中物理科教師)

推薦序2

〈你會更喜愛物理〉

  這是一本相當特別又引人入勝的物理科普書!

  不用複雜的公式及一堆看不懂的符號來呈現,而是以淺顯易懂的文字、幽默有趣的敘述及流暢的文筆,適當地、豐富地提供從基本粒子到外太空相關的物理知識;讓不具深厚背景知識的讀者,對物理相關知識能有更進一步、更全面的認識,甚至因此喜愛或更喜愛物理。

朱正明(台北建國高中物理科教師)

前言

最懂解說技巧的物理導遊

  身高188 公分,身材瘦長,穿著一件看起來像是工作服的藍色棉質襯衫,袖子捲到手肘,下半身卡其褲搭配輕便的涼鞋與白襪,這位教授在演講廳的講台上大步地走過來、走過去,一面講課,一面比手畫腳。偶爾,他會突然在黑板及實驗桌之間停下腳步,好強調某個重點。他面前的四百張座椅以一定的坡度往上升高,座位上的學生們偶爾會移動身體,但目光都鎖定在這位教授身上。這畫面給人的感覺,就彷彿有股強烈的能量正通過這位教授的身體,再四處散發開來。他額頭很高,滿頭雜亂灰髮配上一副眼鏡,說話時帶著不知是哪個歐洲國家的口音,讓人忍不住想起電影《回到未來》裡的那位布朗博士(Doc Brown)——來自另一個世界、性格強烈、有點瘋狂的科學家兼發明家。

  但這裡不是布朗博士的車庫—— 這裡是麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology,簡稱MIT),是全美國、甚至全世界最卓越的理工科大學,而在黑板前面上課的則是華爾達.盧文(Walter H. G. Lewin)教授。他停下腳步,轉身面對學生。「各位,做測量時最重要、但卻總是被每一本大學物理課本忽略的事,」他伸出雙臂,十指張開,「就是測量的精確度。」他暫停片刻,往前走一步,讓學生們有時間做點思考,然後繼續說:「你所做的任何測量,如果你不知道它的精確度,那麼那個測量就沒有意義。」接著他的兩手迅速分開,劈砍空氣,以強調這點。另一次的暫停。

  「我再重複一次。我要你們今晚凌晨三點醒來時重聽一次,」他用兩手食指抵著自己的太陽穴,同時扭轉手腕,彷彿要將這句話塞進他和大家的腦袋裡,「你所做的任何測量,如果你不知道它的精確度,那麼那次測量就完全沒有意義。」學生們全神貫注地盯著他看。

  我們現在是在「物理8.01」——全世界最有名的普通物理課——的課堂上,這學期第一堂課才剛上了十一分鐘。

  2007 年12 月,《紐約時報》在頭版報導了盧文的故事,將他譽為MIT 的「網路明星」,並介紹他在「MIT 開放式課程」(MIT OpenCourseWare)、YouTube、iTunes U 以及「學術地球」(Academic Earth)等網站上提供的物理課程。盧文所開的物理課是MIT 第一批放到網路上的免費課程,它們也沒有讓MIT 失望,點閱率非常高。九十四堂課(合計三門課,加上七個獨立單元)平均每天有三千人次閱覽,一年下來的點閱人次高達百萬。其中的許多次是比爾. 蓋茲貢獻的,根據他寫給華爾達的信(透過郵局寄出的信而非電子郵件!),他已經看完編號8.01 的「古典力學」與8.02「電磁學」的所有課程,正打算繼續看8.03的「振動與波」。

  盧文每天都收到來自世界各地、各年齡層的人寫給他的電子郵件,「您改變了我的人生」是其中一個常見的信件主題。加州聖地牙哥一家花店的老闆史帝夫這麼寫著:「我現在走路時,彷彿腳下裝了彈簧,也懂得用物理的新眼睛來看這世界和人生。」穆罕默德,突尼西亞的一位工程預科學生則寫道:「很不幸的,在我們國家這裡,教授們和您很不一樣,他們並沒有在物理中看見任何的美,我因此活受許多罪。他們只希望我們學會如何解那些『必考題』,以便在考試中考出好成績,他們的目光就是那麼短淺。」一個已經在美國拿了幾個碩士學位的伊朗人沙伊德也說:「我從來沒有真正享受過人生,直到我上了您的課。盧文教授,您真的改變了我的人生。您的課值得十倍的學費,而且它讓某些老師變成罪犯了——沒把書教好是重罪哪!」還有印度的席德哈:「現在我可以在那些方程式之外感受到物理之美。您的學生們一定和我一樣會永遠記得您——您是一位非常非常棒的老師,您讓人生和學習變得比我原先想像的有趣多了。」

  穆罕默德十分贊同地引述盧文在物理8.01 最後一堂課所說的話:「或許上過我的課之後,你們會永遠記得物理也可以是非常有趣、非常美妙的,而且它就在我們身邊的每個地方,無時無刻都在——只要你真正學會去看它,懂得欣賞它的美。」盧文的另一位粉絲瑪喬蕾寫著:「我只要一有空就上您的課;有時候一週五次。我欣賞而且佩服您的性格、您的幽默感,以及最重要的,您將事情變簡單的功力。我在高中時很討厭物理,但現在您讓我愛上了它。」

  盧文每個禮拜都會收到數十封這樣的信,而且一一回信。

  盧文在介紹令人驚奇的物理現象時,就像是從平凡中創造出神奇。他的祕訣是什麼?「我把人們帶回他們自己的世界,」他說,「也就是他們居住並且熟悉的世界,只不過他們還未曾像物理學家那樣看這世界。如果我談到水面的波,我就會叫他們在自家的浴缸裡做些實驗,讓他們能親身體驗波動現象。他們也能親身體驗彩虹。這是我會愛上物理的原因之一:你可以解釋任何事物和現象。那是一種很棒的經驗——對他們來說,或對我來說,都是如此。我讓他們愛上物理!當學生們非常投入時,有時候上課就像是在進行即興表演。」

  他的即興表演,可能是站到十六英尺高的梯子上,用一根以實驗室裡的管子接成、像蛇一樣彎來彎去的長吸管,來吸地板上燒杯裡的蔓越莓汁。或者,他可能冒著頭部被重擊的風險,讓自己的頭位於一顆極具破壞力的球形大鐵錘的擺盪路徑中,而那顆球只差幾公釐就會撞上他的下巴。他也可能是拿來褔槍朝著兩個裝滿水的油漆罐開槍,或是用一種稱作范德格拉夫起電機(Vande Graaff generator)的大玩意兒——就像是科幻電影裡,瘋狂科學家的實驗室會有的那種裝置,將自己充電到三十萬伏特,以至於他那原本就很亂的頭髮全都豎立起來。他把自己的身體當成實驗器材,就如同他常說的:「畢竟,科學需要有人做點犧牲。」在某次示範中(就如本書封面所示),他把一顆鐵球懸掛在從天花板垂下來的繩索末端(他稱之為「單擺之母」),然後以極不舒服的姿勢坐到鐵球上,隨著鐵球前後擺動,同時請學生們齊聲唸出擺動的次數,而這一切只是要證明,單擺在一定時間內擺動的次數與擺錘的重量無關。

  他的兒子伊曼紐(查克).盧文上過其中一些課,他如數家珍地說:「有一次他利用吸氦氣來改變自己的嗓音。為了得到正確的結果(最困難的地方就是在細節),他幾乎到了昏厥的地步。」盧文教授是位功力深厚的黑板藝術家,他可以狂放不羈地在黑板上畫出各種幾何圖樣、向量、圖形、天文現象。他畫虛線的方式讓許多學生印象深刻,甚至為他製作了一部有趣的影片,名叫《華爾達.盧文最美妙的線》(Some of Walter Lewin’s Best Lines),裡面全都是盧文上物理8.01 時,在各個黑板上畫出的那些著名的虛線。

  能掌控整個課堂而且充滿群眾魅力的盧文,真的是非常古怪的人——舉止怪異,一心只有物理。他的皮夾裡隨時都帶著兩塊稱為「偏光鏡」的器材,所以他不需多做準備,就可以看出某些光(例如藍天、彩虹,或是窗戶的反光)是不是「偏振光」,而當時剛巧在他身邊的人也可以看到這現象。

  而他那些藍色工作服是怎麼回事?原來那根本就不是工作服。那是盧文訂做的高級棉布衫,完全根據他的指示製作。他每隔幾年就會聯絡香港的一家裁縫店,一次訂購十多件。左側那個大口袋是設計用來裝他的行事曆。但口袋裡沒有保護筆袋。這位物理學家兼表演家兼老師是位很講究細節的人,因此這倒是讓人納悶。而他為什麼戴了一個不像任何大學教授會戴的怪異胸針:一個塑膠製的煎蛋?「有蛋在我的襯衫上,」他說,「總比在我臉上好吧!」

  還有,他左手那個很大的粉紅色壓克力戒指是幹什麼的?那個夾在襯衫上的銀色東西又是什麼?(大約在肚臍眼的高度,他上課時經常會偷偷往那裡瞄。)

  每天早上更衣時,盧文有四十個戒指及三十五個胸針可以選擇,還有幾十個手鐲和項鍊。他的品味特別,有許多五花八門的飾品(來自肯亞的串珠手鍊、由大塊琥珀串成的項鍊,以及各款塑膠製的水果胸針)、古董(一個很沉重的銀製土耳其手鐲),或由設計師與藝術家設計的首飾,還有一些荒唐古怪到極點的東西(例如由甘草糖串成的項鍊)。「學生們開始注意這些東西,」他說,「所以我每堂課都穿戴不同的配件,尤其是在我跟那些孩子上課時。他們很喜歡我這麼做。」

  那麼,夾在襯衫上,看起來像特大號領帶夾的銀色東西到底是什麼?原來是一支特別設計的錶(一位藝術家朋友送他的禮物),錶面上下顛倒,這樣盧文就可以低頭偷看,以掌握時間。

  有時候在別人看來,盧文似乎不知道在想什麼,或許可說是個完全心不在焉的教授。但其實,他通常是非常專心地在思考物理的某個面向。正如他太太蘇珊所回憶的:「我們去紐約的時候,通常是我開車。但最近我發現這張地圖,州界的空白處都寫滿方程式。那是他上次要去演講時寫的——因為在車上很無聊。事實上,他隨時都將物理掛在心上,一天二十四小時都和學生及學校在一起。」

  根據他多年的好友, 建築史專家南西. 史蒂柏(Nancy Stieber)的說法,盧文最特別之處或許就是「他那和雷射一樣強的興趣。他似乎總是全心投入他要做的事,把世界的90%都從他心中消除掉。有這種雷射般的聚焦力,他可以把他認為不重要的東西都刪去,全神貫注在一件事上,這就產生一種非常獨特的『生活樂趣。』」

  盧文是個完美主義者,他對細節的要求幾乎已到走火入魔的地步。他不只是世界頂級的物理老師,也是X 射線天文學的開拓者之一,他花了二十年的時間建造、測試並使用一些專門用來精確測量X 射線的超靈敏設備,來觀察次原子(指此原子更小的空間或粒子)及天文現象。他施放巨大但非常纖弱的氣球,讓它們沿著大氣層的最外圍移動,藉此發現許多奇特的天文現象,例如「X 射線爆源」(burster)。他和他的同行在這個領域所做的貢獻,幫助科學界解開在巨大超新星爆炸中,恆星逐步走向死亡的奧祕過程,也協助證實了黑洞真的存在。

  他知道物理研究需要測試、測試,再測試。這不只解釋了他為什麼可以成為成功的天文物理學家,也說明了為什麼他一方面能把牛頓定律的偉大闡釋得那麼清楚,另方面也能讓你了解小提琴的弦為何會產生如此和諧的樂音,以及當你搭電梯時為何一下子感覺自己變重,一下子又變輕。

  為了準備一堂課,他總是會到空教室至少練習三次,第三次是在授課當天的早上五點鐘。「他的課之所以成功,」天文物理學家大衛.普利(David Pooley),一位他從前教過,後來還和他一起授課的學生說,「關鍵在於他所投入的時間。」

  當MIT 物理系在2002 年提名盧文角逐一項競爭激烈的教學獎項時,他的許多同事都不約而同地強調他的這些特質。關於跟盧文學物理的經驗,史帝分.立柏(Steven Leeb)給了一個相當令人玩味的描述(立柏現在是電機工程與資訊科學的教授,任職於MIT 電磁與電子系統實驗室):「他充滿熱力地上到講台,抓住我們的大腦,讓我們馬上進入電磁學的雲霄飛車之旅。到現在我都還記得當初那種感覺!他是教室裡的天才,足智多謀,總是能找到辦法將物理概念解釋得簡單明瞭。」

  盧文的物理系同事羅伯特.荷西瑟(Robert Hulsizer)嘗試把盧文在課堂上所做的一些示範實驗錄影下來,並剪輯精彩片段供其他大學參考。但他發現這項工作根本不可能完成。「這些示範實驗完全與物理觀念的開展交織在一起,包括準備工作及收場,所以示範實驗沒有明確的開始與結束。我的感覺是,華爾達的精彩表演,無法被切割成片段。」

  盧文將物理之美介紹給學生的做法讓人感動,這是因為他讓我們也感受到他對這世界所有奇妙現象的熱愛。他兒子查克充滿感激地回憶,他父親一心想讓他和他姊姊及弟妹們也有這樣的熱情。「他能讓你看到一些東西,並且因為它們的美而大受震撼。他能把你心中的熱情、驚奇及振奮全挑起來。我所說的是他為你打開一扇扇不可思議的小窗,而他就在它們中間,你會很高興自己能活著,享受他的同在,享受他將要創造的事件。有一次我們到緬因州度假,那天天氣很好,我們小孩子都待在外面,而且就像小孩平常那樣開始覺得無聊。結果我父親拿出一個小球,並隨即發明一種奇怪的小遊戲。接著,一分鐘之內,隔壁家的小孩就過來加入我們,突然之間我們有四、五、六個小孩在拋球、接球而且笑聲不斷。我還記得當時我真的非常興奮、非常開心。如果我回顧過去,是什麼在我的人生中啟發我,讓我可以擁有那些全然開懷的時刻,讓我能預見一個美好的人生可以是多麼精彩,也讓我了解人生能夠裝載多少的豐富?答案就是:這些都是從我父親那裡得到的。」

  盧文常會在冬天把他的小孩聚集起來玩一種遊戲——測試紙飛機的空氣動力學特性——把紙飛機射進客廳那個開放式大壁爐裡。「讓我母親花容失色的是,」查克回憶說,「我們還會從火裡把它們搶救出來..我們都還想在下一回合扳回一城呢!」

  當客人來家裡吃晚飯時,盧文會帶領所有小孩玩「登陸月球」遊戲。查克記得:「我們把燈關掉,用拳頭敲打桌面並發出類似擂鼓的聲音,來模擬火箭發射時的那種噪音。有些小孩甚至會鑽到桌子底下敲打桌子。等我們升上太空,動作就停下來,然後到登陸月球後,又全都在客廳走來走去,假裝重力變得很小,並且跨著非常誇張的步伐。這時候客人們一定在想:『這些小鬼瘋了!』但對我們小孩子來說,那好玩極了!登陸月球呢!」

  半個世紀之前,盧文第一次走進教室上課,從那時開始,他就一直帶著學生們到月球去。他一直被自然世界的奧祕與美麗所吸引,從彩虹到中子星(neutron star),從老鼠的大腿骨到音樂的聲音;他也著迷於科學家與藝術家闡釋、說明及呈現這個世界的方式,盧文可說是當今世上最有熱情、最有使命感、也最懂得解說技巧的科學導遊之一,他矢志為大家導覽這個世界。在接下來的各篇章裡,當他揭露他一生對物理的熱愛並且與你分享時,你一定能夠體會到他的那種熱情、使命感與技巧。

  好好享受這趟旅程吧!

沃倫.高斯坦(Warren Goldstein)

導論1

〈這真是教學的典範!〉

  看完這本書,深深感覺到物理學就是應該這樣教!

  科學來自日常生活的觀察,怎麼可以脫離生活呢?古人觀星象,想知道日月星辰運行的規則,所以有了「天文學」;智者觀察大自然中萬物的變化,所以有了「自然科學」與「社會科學」。科學是不可以與生活脫節的。台灣的科學教育始終無法生根,就是因為課本與生活脫鉤,在實驗室演算科學公式,回家則請人收驚喝符水。這本書從生活中常見的各種現象,用物理學的原理來解釋它的成因,深入淺出,讓人一看就懂。一本好的科普書不是要賣弄作者的知識,而是推廣科學的真義,這本書完全達到了這個目的,是這麼多年來難得一見的好書。

  例如作者用彩虹,把光的效應解釋得非常清楚;他又解釋弦樂和管樂的和聲,使你下一次去國家音樂廳聽演奏時,會感覺不同,因為你已經知道了它的原理;電和磁場那兩章是每個人必讀的,沒有電,所有的文明享受都免談,有人說,電是古今中外最偉大的發現,對於電,我們應該抱著崇敬、珍惜的態度。我很喜歡書中作者對每一個主題的討論,科學和哲學是分不開的:一個好的科學家一定是好的哲學家,因為一切從思辨開始!

  至於磁場,正確的使用是無害的,看到作者在上電磁學的課時,把馬克士威的電磁學方程式投影在MIT演講廳的各面牆上,並且發送鮮花與學生一起慶祝這個人類文明重要的里程碑,就會不由自主的發出會心的微笑。馬克士威也是我最景仰的科學家,但是我還從來沒有想過這樣做,作者實在太可愛了。

  在看本書時,不免會想,為什麼我們沒有這樣熱情的老師來帶動學生學習的興趣?我在念大學時,通識的課或入門的課都是講師,甚至助教來上,大牌教授都不屑來教新鮮人,好像大材小用。其實這是很錯誤的,入門課才是最重要,講得好會使本系的學生留下來,外系的學生轉進來,一旦入門課倒胃口,其餘的課就不愛上了。我們看到愈是有知識、有深度的教授,越是能深入淺出地把一門艱深的學問教到每個人都懂,不知MIT有無做過這個統計,看有多少人因為上過盧文教授的課而喜歡物理,甚至終身投入物理學的研究?

  作者的課能這麼吸引人是因為他累積了三十年的教書經驗,本身對物理有無窮的熱情,深懂學習原理,知道要從學生每天可見的現象來著手,才能引發學生興趣,他的教學方式是我們的典範!

  本書一開頭,作者自述他為什麼會到MIT來教書,我們都沒想到原來歐洲學校報帳的方式跟台灣一樣,是如此的繁瑣:吃三明治的錢不可以與喝飲料的錢合在一起報,必須一張一張填寫。一個有創意的科學家如何能容忍這種顢頇?他來到MIT訪問,看美國的「信任」方式,就不再回荷蘭去了。看到這一段,我心有戚戚焉,我是先享受了美國的「信任」,再回到台灣領教台灣報帳的痛苦。出國開會,連機票票根都不足以證明,還得影印護照的出入境頁才行,讓我了解作者願意離鄉背井,把一生的心力貢獻到教育美國人的心情。不知荷蘭政府有沒有後悔他們的僵化會計制度趕跑了一個這麼優秀的人才?

  這是一本很好的科普書,科學並不可怕,它是你生活的一部分,請好好享受這本書!

洪 蘭(中央大學認知神經科學研究所所長)

導讀2

〈和費曼不一樣〉

  我最初知道華爾達.盧文這位美國麻省理工學院(MIT)教授是在2007年底。當時紐約時報以一篇名為〈71歲的物理教授成了網路明星〉的專文來介紹他,開頭即說:「71歲的物理教授盧文,長久以來在MIT已有一群忠心粉絲;現在由於全球性網路課程的興起,他變成了國際網際網路大師。盧文的物理課錄影可以在網路上的MIT開放課程免費觀賞,這使得他在世界各地都有了仰慕者。」其中又寫到,開授MIT學生必修的物理課讓他體認到:「真正重要的是讓學生愛上物理、愛上科學。」

  我自己雖然是物理老師,平常也會注意網路上的資訊,但要是沒有看到這篇報導,恐怕還不會知道這位物理名師。原因當然是盧文成名的網路課程是大學一、二年級的基礎課程(包括1999年秋季的「普物力學」、2002年秋季的「電與磁」與2004年秋季的「振盪與波動」),這些課不會出現在我經常觀看的網路演講錄影之列(我看的通常是較專業性的物理演講)--每個人的時間都是有限的啊!去年盧文出版了這本書,方才引發我的好奇,真的花了些時間去瞧瞧這些叫座的課。一看就嚇了一跳,因為太精彩了!他真的不是浪得虛名!

  他的課非常緊湊但順暢,且有一些固定節奏:首先扼要地介紹基本概念,將公式清楚推導出來(不過對於某些較複雜的證明,他會讓學生自己讀課本自修),並將這些公式應用於具體的情境,且通常會算出某個帶有誤差值的物理量(例如垂直吊掛的呼拉圈的振盪週期),然後就是課程最吸引人的地方--以精心設計的示範實驗來查驗這些計算出的量。他非常重視誤差,不時以例子教導如何估算誤差,並強調不知道誤差的測量是沒有意義的。整堂課的最高潮也就是結束之時,在同學都親眼看到實驗果真驗證了公式的預測之際,這時盧文就會激動地喊說:「多麼了不起!在預測與實驗的誤差之內,物理是對的!」所以,盧文上課的特色就是以示範實驗將生命貫注到冷冰的物理定律、公式之中。

  或許有人要問,盧文和另一位廣為人知的明星物理教授費曼相比,在教學風格上有何異同?相同之處當然就是兩人都能讓人體會他們對物理的熱愛,而其差異所突顯的其實是兩人在研究專業上的不同:費曼是理論學家,重視物理學整體結構,即物理知識之間的關連,他喜歡以自認最有意思的方式來決定教材,所以在大家極為欣賞的《費曼物理學講義》中,無論就內容選擇或順序安排而論,都有令人驚喜的創意;反之,盧文是實驗學家,他重視的是物理定律與實際現象的連結,所以喜歡在課堂上以實驗來直接呈現物理定律如何精確描述了自然,他要告訴同學的是:物理不是數學,而是關於藍天、白雲、彩虹、雷電……等大家熟悉的大自然現象。費曼與盧文所強調的重點雖稍有不同,但都是學習物理的學生必須掌握的面向。

  盧文(他現在退休了)去年5月16日回到MIT原來的上課教室,做了一場名為「為了物理之愛」的演講」(見MIT開放課程網站),我看了之後,對他的欽佩之心更提高了,因為我聽到結束前有聽眾問:「你是怎麼準備演講的?花了多少時間?」他回答:「我要是告訴你,我的MIT同事會恨死我!」原來盧文平均要用上四十至六十小時,來準備一堂五十分鐘的課。他說他在上課前兩星期就會找時間對著空教室演練一遍,上課前一星期又演練一次,好將任何會拖長上課時間的因素都去掉,在上課當天早上五點,又會到空教室演練最後一遍!……真是令人又恨又欽佩的傢伙啊!

高涌泉(台大物理系教授)

導讀3

〈手握彩虹、耳聽天籟,盡享物理之美!〉

  學物理的人都知道《自然哲學的數學原理》一書,這本書是牛頓在1686年完成的,書成之後,被譽為是「人類有史以來最偉大的智慧產物和心血結晶」,講這話的人大概是學理工的。的確,這本書描述了宇宙中任何兩個物體之間的交互作用,小至構成氫原子的質子和電子,大至我們包含兩、三千億顆恆星的銀河和同樣巨大的仙女座星系,彼此之間互相牽繫拉扯的方式和結果,都在這本書中被具體描述。但說句老實話,這本書雖然如此重要,但讀來卻艱澀難懂,對文法商管的學生而言,只有書名是感人的,因為談的是「大自然」的「哲學」。而這個「大自然」的「哲學」,就是今天的「物理」學!

  物理學試著解釋自然界一切現象背後的道理和規律,因此和生活中的觀察體驗以及冥思遐想緊密結合,探索和研究的過程理應十分有趣,但「物理」卻常常和「化學」及「數學」在比賽,看誰是第一個被中學生放棄的學科!這是怎麼回事?一言以蔽之,學生在學習物理的過程中找不到「趣味」!

  MIT教授華爾達.盧文,將多年來的物理教學內容集結成書,出版了《我在MIT 燃燒物理魂》一書,內含運動學、力學、聲學、光學、電學、磁學,以及他的天文本行:從極小的原子核談到極大的中子星和黑洞,從克卜勒、牛頓,談到愛因斯坦。書中的敘述輕鬆有趣,對各種物理現象娓娓道來,同時描述這些現象在生活上的實驗或應用,讀來逸趣橫生、毫無壓力。除此之外,此書更有一個特點:書中許多地方加註網站連結,將內容直接延伸到網站上的圖片和影片。多年授課,盧文教授在網站上累積了許多充滿趣味的教學實況影片,這本書中的許多敘述,可以用盧文教授在網站上的演示教學影片作為輔助,兩者直接對照,讓這本書更增閱讀價值,這是科普書和網站資源難能可貴的結合。

  盧文教授透過親身示範和活潑有趣的課堂演示,努力將物理活生生地呈現在他的學生面前。即使面對的是世界頂尖的MIT學生,他也清楚明說:「他們大多數人日後並不會成為物理學家。」他認為對這些學生而言,「認識和記住那些物理發現之美,比把注意力放在一些複雜的數學上要來得重要得多。」盧文教授所做的,是「盡可能幫助學生用一個不同以往的方式看待這個世界,去問一些他們從來沒想過的問題,把關注的焦點放在物理本身獨特的美,而不是數學的細節上。」他只想讓學生見識到物理本身令人讚嘆的優雅與美麗!

  像這樣活潑有趣的物理演示教學,國內有人做嗎?當然有!過去十年是國內物理演示教學蓬勃發展的一段時間,東吳大學的陳秋民教授、台灣師範大學的黃福坤教授、中央大學的朱慶琪教授、長庚大學的邱韻如教授、清華大學的戴明鳳教授,和高雄師範大學的周建和教授等,都認真投入了演示教學的研發和執行,也向國外這個領域的資深教授如馬里蘭大學的瑞察.柏格教授(Prof. Richard Berg)觀摩學習,引入新的教材教法,讓國內的物理教學也有了改善和生機。只希望教育部和國科會可以注意到這些努力,明白這些扎根的工作未來可能造成的影響,而持續予以支持。假以時日,說不定台灣的學生也能將上物理課視為生活中樂趣的來源!

  這本書裡,盧文教授描述了星系團周邊的電漿因為聲波傳遞,起了漣漪,產生宇宙天籟;也提到了洗澡的時候太陽光射入浴室,在眼前出現了伸手可及的彩虹!這是他所謂的「作為物理學家的特權」,我多麼希望這本書能夠開啟年輕學子的智慧耳目,有朝一日,也可以手握彩虹、耳聽天籟,認真享受一個物理學家的特權!

孫維新(國立自然科學博物館館長、台大物理系暨天文物理研究所教授)

導讀4

〈學物理,是在學「看事情的方式」〉

  這是一本實用的故事書!是少數讓我想要熬夜看完的好書。書名中雖然帶有令多數人聞之色變的「物理」兩字,但其中引人入勝的魅力,卻是作者送給所有開卷入屋者的驚喜。我早已久仰作者在網路上以物理教學影片聞名的事蹟,因此更是好奇地想問:他是否也能在紙上談出有趣的兵法來?看完書之後,除了佩服,還是佩服。

  喜歡聽故事似乎是人人從小的天性,這本書基本上掌握了這個原則,成功地將自身的生命經歷及科學史實,融入到原本可能硬梆梆的物理中,讓小至原子分子、中至日常生活、大至宇宙星辰的世界萬象,躍然紙上,讓讀者能在沒有負擔、甚至是欲罷不能的心情下,慢慢建立出物理素養,因此我稱這本書是「實用的故事書」。基本上書裡融合了幾項不同的元素:作者獨家有趣的人生故事、科學史、生活中的物理經驗、簡易的物理實驗、基本的物理原理,以及人人嚮往的宇宙天文。他將這些元素巧妙地穿插在一起,讓讀者一旦開始閱讀,便不

 

詳細資料

  • ISBN:9789573269724
  • 叢書系列:大眾科學館
  • 規格:平裝 / 376頁 / 16k菊 / 14.8 x 21 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

我們通常看不到彩虹的盡頭碰觸到地面,這不是因為它不存在,而是因為它的盡頭處太遙遠、被建築物或樹或山擋住,或是因為那裡的空氣中雨滴比較少,所以彩虹的顏色比較淡。但是如果你夠靠近彩虹,你甚至可以摸到它。比方說,你利用庭院裡的水管所製造出來的彩虹應該就能被你摸到。

我甚至曾經在淋浴時把彩虹握在手中。我是在無意間發現這點的。當我面對蓮蓬頭時,我突然在淋浴間裡看到兩道(是的,兩道!)明亮的主要彩虹,各約30公分長、3公分寬。這令我相當興奮,它們實在很漂亮,就像是夢裡一樣。我伸手將它們握在手中。那感覺很特別!我已經講授彩虹四十年了,之前從來沒有看過兩道主要彩虹,而且它們是在我手可以碰到的地方。

當時所發生的事是這麼回事。一束陽光從浴室窗戶射進淋浴間。就某個角度來說,這就好像我是站在噴水池裡,而不是站在噴水池前面。因為水滴非常靠近我,而我的兩顆眼睛相距約十公分,兩顆眼睛各有一條虛擬線。角度剛好,水珠量也剛好,於是兩顆眼睛各自看到一道主要彩虹。當我閉起一個眼睛,其中一道彩虹就會消失;當我閉起另一個眼睛,另一道彩虹會消失。我很希望將這個令人驚喜的現象拍起來,但我沒辦法,因為我的相機只有一個「眼睛」。

那天如此近距離地看到那兩道彩虹,讓我對它們的真實性有了種全新的體驗。當我移動頭部時,它們也會跟著移動,但只要我的頭停著不動,它們也就會跟著停止不動。

偶爾,在可能的情況下我會調整早上淋浴的時間,以便看到彩虹。太陽必須是在天空中的正確位置,陽光才有辦法從正確的角度穿過浴室窗戶照進淋浴間。而這只發生在5月中到7月中之間。你大概知道,在某幾個月分,太陽會愈來愈早出來,並且在天空中升得愈來愈高。而在北半球,太陽出現在我們南邊的天空。在冬天的月分太陽升起時偏南(在東方),而在夏天時則偏北(在東方)。

我的浴室窗戶面向南方,但南方有一棟建築,因此光線不可能從南方過來。所以陽光只能從大約東南方射進來。我第一次看到淋浴間彩虹的那天,我很晚才去淋浴,大約十點鐘。要在你的浴室裡看到彩虹,你必須有一扇窗戶,讓陽光可以照到那些從水龍頭裡噴灑出來的水珠。事實上,如果你從來沒辦法從你的浴室窗戶看到太陽,那你就不用去找你的淋浴間彩虹──不會有的。而且,就算陽光可以射進浴室,也不見得會有彩虹,因為與你的虛擬線夾42度的方向必須有許多水珠才足以產生彩虹,但實際上不見得如此。

這些可能是很不容易達到的條件,但是試試又何妨?如果你發現太陽會在下午四、五點射進你的淋浴間,嗯,那麼你可以考慮改變你的洗澡時間。

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