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物理學的演進

The Evolution of Physics

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內容簡介

愛因斯坦寫給所有人的科普經典
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全書沒用到任何數學公式!
介紹從伽利略、牛頓時代的古典理論
到場論、相對論和量子力學的物理學史
 
相對論的出現為什麼能顛覆整個科學界?
愛因斯坦與量子力學之間有什麼恩怨情仇?
本書如偵探小說般一層層為你揭開物理學的奧祕
啟動你的思考力,重燃對世界的好奇心!
 
★沒物理學基礎也能懂!快速了解相對論、量子力學的最佳入門書!
★北一女物理教師、《如何學好高中物理》作者簡麗賢,導讀推薦!
★國、高中學生打底物理學知識、培養科學素養必備!
★全新翻譯,並新增內文註釋,讀起來更加暢行無阻!

 
本書由現代物理學之父愛因斯坦與波蘭物理學家英費爾德合著。書中以「演進」的觀點說明物理學史上的重大發展或轉折,使讀者閱讀時如偵探蒐集各種線索般,一步步串起各種物理學知識,並思考歷程背後的哲學思想或觀念上的變化。此外本書也透過大量通俗易懂的例子與插圖,將物理學知識與日常經驗巧妙融合在一起,生動又有趣。
 
關於出版本書的動機,愛因斯坦與英費爾德在序言中曾說,他們並不是要寫一本物理學的教科書,因此不會教讀者一堆理論,「反之,我們想描繪的是人類心智在尋找觀念世界與現實世界之間的連結時,所付出的種種努力」。
 
跟著大師腳步,
掌握古典到近代的物理學脈絡

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全書以4大章節,描述了──
 
【1】機械觀的興起 ▶▶ 從伽利略的實驗說起,透過向量概念,介紹伽利略與牛頓時代的力學及其成就,也說明了傳統物理學如何解釋熱現象,並談及古典物理學背後預設的觀點,也即能夠套用在物理學所有領域、描述物質結構的「機械論」。
 
【2】機械觀的衰落 ▶▶ 說明電磁現象其實無法用傳統的機械論描述,並論及光的本性問題。本章介紹牛頓的光微粒說、惠更斯的光波動說等科學界關於光的本性的爭論。本書最後選擇了光波動說,也放棄了機械論。
 
【3】場,相對論 ▶▶ 本章首先描述「場」的概念,並以其描述電場和磁場。接著敘述法拉第、馬克士威和赫茲等人的實驗如何引發現代物理學,並正式介紹相對論,以及強調場的觀念對物理學的重要性。
 
【4】量子 ▶▶ 光是波還是一堆光子?電子束是一堆基本粒子還是波?本章透過光電效應的實驗,引入光量子概念,並進一步引出機率波概念,同時談及量子論。本章也可以看到愛因斯坦對量子力學奠基在不確定性或機率上的懷疑態度。
 
一本救濟朋友的書,
意外成為科普經典之作

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1920年,猶太裔的物理博士生英費爾德來到德國柏林,尋找完成博士學位的機會。他多次申請當地的大學,不過卻未能如願,只好打電話向愛因斯坦求助。
 
愛因斯坦一向樂於幫助猶太人,前後幫英費爾德爭取到了劍橋大學的獎學金、到普林斯頓高等研究院做研究的機會(附帶600美元的津貼),還為英費爾德的一本科學著作寫序,並聘請他擔任他的研究助理。
 
為了籌措在美國生活的費用,某天英費爾德萌生了跟愛因斯坦合寫一本物理史並平分版稅的想法。有趣的是,當英費爾德向愛因斯坦提出此想法時,他的舌頭突然打結了,導致不知從何開口。最後英費爾德還是支支吾吾講完了他的提議。「這主意聽起來不壞,」愛因斯坦說:「我們應該這麼做!」於是有了這本《物理學的演進》。
 
本書出版後,旋即熱銷、再版不斷,不僅讓英費爾德的財務狀況更加穩定,《時代雜誌》甚至曾為本書做了一次封面專題,更確立了本書在的重要性與地位。
 
各界名人推薦
林厚進│賽先生科學工廠創辦人
張慶瑞│國立臺灣大學物理學系特聘教授
陳育詮│松山高中物理教師
超級Y│Youtuber說書人
楊儒賓│國立清華大學哲學研究所暨通識教育中心講座教授
趙軒翎│《科學月刊》副總編輯
鄭國威│泛科學知識公司知識長
簡麗賢│北一女中物理教師
(依姓名筆畫排序)
 
「20世紀上半葉,量子理論改變了物理學的景觀,就像電磁學一個世紀前所做的那樣。在《物理學的演進》中,愛因斯坦和英費爾德從風暴中心描述了這場革命。今天我們已經很習慣接受量子力學的概念,因此很容易忘記當初我們從量子角度來思考時所需要的具有紀念意義的思想轉變。」
史蒂芬‧霍金│英國理論物理學家
 
「我猜如果你問愛因斯坦什麼是古典物理,什麼是量子力學,還有什麼是相對論,然後聽完之後又一直要求能不能說得再白話一點,他就會把這本書交到你的手上。」
林厚進│賽先生科學工廠創辦人
 
「在《物理學的演進》中,用淺白口吻的文字加上經典線條的圖示,彷彿置身於科學的時光洪流之中,順著愛因斯坦與英費爾德的視角,帶你一次認識這400多年的物理學發展與演進。」
陳育詮│松山高中物理教師
 
「閱讀《物理學的演進》,正符應十二年國教新課綱『以物理學家發想過程的故事為主,基礎物理通才知識為輔』的設計方針……建議高中學生學習課綱內容時,不妨搭配閱讀科普書籍《物理學的演進》,建立更完整的物理概念和科學思維,或許還能體悟『細推物理須行樂,何須浮榮絆此生』的閱讀之樂。」
簡麗賢│北一女中物理教師
 

作者介紹

作者簡介

愛因斯坦Albert Einstein
猶太裔物理學家,狹義相對論和廣義相對論的創立者,被認為是繼伽利略、牛頓之後最偉大的物理學家,也被譽為「現代物理學之父」,因「對理論物理學的貢獻,尤其是他發現了光電效應的規律」,獲頒1921年諾貝爾物理學獎。

英費爾德Leopold Infeld
波蘭科學院院士、理論物理學家。曾在美國普林斯頓高級研究院與愛因斯坦共事,因與愛因斯坦合著《物理學的演進》而為世人所知。

譯者簡介

王文生
業餘譯者,清華大學物理系畢,譯有《用塗鴉學物理》、《物理學的演進》等書(皆為商周出版)。取名的長輩希望這個孩子「生而學文」,但他大學讀了理科,畢業之後卻也沒有成為物理學家。物理科普書的翻譯,也許是個有趣的平衡。

 

目錄

【推薦序】深入淺出的物理史科普書(簡麗賢)
【原   序】
【新版序】
 
第1章 ▌機械觀的興起
❑偉大的解謎故事
❑第一條線索
❑向量
❑運動之謎
❑還有一條線索
❑熱是物質嗎?
❑雲霄飛車
❑轉換率
❑哲學背景
❑物質的動力理論
❑本章結語
 
第2章 ▌機械觀的衰落
❑兩種電流體
❑磁流體
❑第一個難關
❑光的速度
❑光作為一種物質
❑色彩之謎
❑波是什麼
❑光的波動說
❑光波是橫波還是縱波?
❑以太與機械觀
❑本章結語
 
第3章 ▌場,相對論
❑場作為一種表示法
❑場論的兩根支柱
❑場的真實
❑場與以太
❑力學的框架
❑以太與運動
❑時間、距離、相對論
❑相對論和力學
❑時空連續體
❑廣義相對論
❑電梯內,電梯外
❑幾何學與實驗
❑廣義相對論與驗證工作
❑場和物質
❑本章結語
 
第4章 ▌量子
❑連續,不連續
❑物質和電的基本量子
❑光量子
❑光譜
❑物質波
❑機率波
❑物理學與現實
❑本章結語
 

【推薦序】深入淺出的物理史科普書

我喜愛閱讀科普書,課暇也撰寫科普文章。好讀的科普書應是「曲高未必和寡,深入何妨淺出」。
 
收到商周出版社主編寄來《物理學的演進》文稿,放下手邊工作,迫不及待,先睹為快,沉浸在古典與近代物理發展史的思維中。
 
這是一本很特殊的物理史科學普及經典書,愛因斯坦共同撰寫,幾乎沒有數學公式,深入淺出,饒富趣味。這本科學史代表作,是愛因斯坦詮釋古典和近代物理的觀點,也是高中生和一般讀者認識「量子力學」和「相對論」的入門書,值得閱讀和珍藏。
 
教育部十二年國教高中課程綱要中,揭櫫基礎物理的設計精神,以「物理學家發想過程的故事為主,基礎物理通才知識為輔」,更清楚揭示「高一物理課程針對全年級全領域學生設計課程,編排以文組取向學生容易接受和吸收的教材為目標,希望全體學生接受的是物理發展的精神與傳承,而非只是比較片段不連貫的科學知識」。誠哉斯言,新課綱必修物理課程內容,強調學生學習的重點之一是連貫的物理演進發展史。這是正確的思維,透過閱讀物理學史,能讓學生獲得更全面的物理史觀。
 
物理學的發展,歷史悠久,具有理論探討與實驗驗證的對象,建立脈絡相承的理性論述方法,以及追求真理、實事求是和謙遜客觀的科學態度等特質。愛因斯坦和英費爾德合著的《物理學的演進》,在1938年問世,儘管是年代較早的科普書籍,但透過愛因斯坦的詮釋,更能讓現今的讀者了解物理史發展的全貌,包含伽利略、牛頓時代的運動理論,現代的場論、相對論和量子論,可說將物理學演進歷程,一以貫之,引導讀者認識物理學家的思維方式。
 
《物理學的演進》一書,擷取物理學發展的重要轉捩點,以「演進」的角度貫串古典與近代物理學的發展,清晰梳理重要的科學脈絡,指引讀者物理學發展的精神與科學脈絡的傳承。閱讀《物理學的演進》,正符應十二年國教新課綱「以物理學家發想過程的故事為主,基礎物理通才知識為輔」的設計方針。
 
十二年國教新課綱的必修物理學習內容說明,「科學家面對問題時,抱持理性、客觀、好奇心及不妄下決斷等思考方式和科學態度」,閱讀《物理學的演進》後,能知道從事科學工作應不固執己見、不盲從附和及不妄下決斷,一切依據共同依循的客觀實驗,判斷標準。科學沒有權威,科學也非萬能,科學有其範疇與限制。面對其他不是探討物質世界的領域,科學家必須抱持謙虛、敬仰與尊重的態度。
 
110年高中學生升大學的「學科能力測驗(學測)」甫落幕,物理試題取材「牛頓力學」、「焦耳與能量」、「電流磁效應」、「電磁感應」、「電子的物質波(機率波)」等主題,這些內容的脈絡說明正好是《物理學的演進》一書的重點。
 
建議高中學生學習課綱內容時,不妨搭配閱讀科普書籍《物理學的演進》,建立更完整的物理概念和科學思維,或許還能體悟「細推物理須行樂,何須浮榮絆此生」的閱讀之樂。
 
   北一女中物理教師、科普作家
簡麗賢

 
【新版序】
 
本書的初版於20多年前問世。後來,本書主要作者愛因斯坦逝世了──他可說是有史以來最偉大的科學家,也是最親切的人。在初版發行之後,物理學有了空前的進展。這點只要提到核物理學與基本粒子理論,以及太空探索的進步就足以說明。然而,本書必須改動的地方很少,因為它只探討物理學的主要觀念,而這些觀念基本上還是不變的。在我看來,只需要稍做幾個小小的修正就夠了。
 
第一:本書探討的是觀念的演進,而不是對歷史的說明。因此,本書提到的年代通常是約略的,並且用的是「多少年以前⋯⋯」的形式。例如第4章「量子」的「光譜」一節,我們寫到波耳的理論「在25年前成形⋯⋯」。由於本書初版是在1938年問世的,所以「25年前」指的是1913年──波耳發表論文的那年。讀者應該記住,所有類似的用詞都是針對1938年而言。
 
第二:第3章「場,相對論」的「以太與運動」一節中,我們寫道:「除了我們必須以每秒400碼左右的速度奔跑之外,剛剛的例子沒有任何不合理的地方。我們大可以想像,未來的科技發展將讓這樣的速度變為可能。」如今,大家都知道噴射機已經達到超音速了。
 
第三:在同一章的「相對論和力學」一節中,我們寫道:「⋯⋯從最輕的氫原子,到最重的鈾原子⋯⋯」這種說法現在不正確了,因為鈾已經不是最重的元素。
 
第四:同樣在第3章的「廣義相對論與驗證工作」一節中,我們寫到水星繞日運動:「我們看見這個現象有多微小,也看見在比水星更遠的行星上要找到這個現象的痕跡,希望有多渺茫。」近年的測量已經發現,這個效應不只發生在水星上,其他的行星也有。這個效應非常微小,但似乎與理論符合。或許在不久的將來也可以在人造衛星上檢驗出這個效應。
 
在第4章「量子」的「機率波」一節,我們寫到單一電子的繞射:「這項實驗同樣是理想實驗,這應該不用強調了。它可以存在於想像,但無法在現實中重現。」值得一提的是,在1949年,蘇聯物理學家法布里坎特(V. Fabrikant)教授與他的同事進行了一項實驗,觀測到了單一電子的繞射。
 
只要修改這幾處,本書就成為最新版本了。但是我不願意把這些小修正寫到本文裡,因為我覺得,與愛因斯坦合寫的一本書,就應該讓它保持原樣。我非常欣慰,在他逝世之後,這本書仍能像他所有的著作一樣繼續流傳下去。
 
利奧波德.英費爾德
1960年10月於波蘭華沙
  
【原序】

開始閱讀前,你也許會期待我們回答一些簡單的問題:本書寫作的目的是什麼?這本書的理想讀者是什麼樣的人?
 
如果要直接給出清楚的答案,同時又要具有說服力,那大概不太容易。這個問題留到本書的結尾會比較好回答,雖然稍嫌拖泥帶水。我們發現,反過來說這本書不是出於哪些想法而寫的,會容易許多。我們不是要寫一本物理學的教科書,本書不會系統性地教授基礎物理現象和理論。反之,我們想要概略地描繪人類心智尋找觀念世界和現象世界之間的連結所付出的努力。我們試著說明,促使科學因應世界的現實進而發明新觀念的作用力。但是我們的做法必須是簡潔的。在現象與觀念的迷宮之中,我們必須找出在我們看來既重要又有特色的捷徑。這條捷徑以外的現象和理論必須被捨棄。受限於這幾項目的,我們能選擇的現象與觀念是有限的。
 
問題的重要性並不在於我們花了多少篇幅來說明。我們之所以忽略某些基本的思考過程,並不是因為我們認為它們不重要,而是因為它們不在我們選擇的路徑上。
 
在本書的寫作過程,我們花了很多時間討論理想讀者的性質,也很擔心這位讀者。關於這位理想讀者,我們假設他雖然沒有任何紮實的物理學和數學背景,卻仍有很多的優點。我們發現他對物理學和哲學的想法深感興趣,也不得不敬佩他掙扎著走過那些既不有趣,甚至更加困難的路徑。他明白,若想理解本書的任何一頁,就必須細心讀完前面的頁數。他知道一本談論科學的書,即便是科普書,也不能用小說的閱讀方式來讀。
 
本書是讀者你和我們之間輕鬆的對談。你對本書的看法也許有很多種,無聊或有趣,單調或覺得興奮,但富有創造力的人類心智,為了對規範物理現象的定律有更深、更廣的理解,就會持續奮鬥下去。如果接下來的篇幅能使你對這段奮鬥過程有了某種感觸,我們的目的就算達成了。
 
阿爾伯特.愛因斯坦
利奧波德.英費爾德
 
 

詳細資料

  • ISBN:9789864779918
  • 叢書系列:科學新視野
  • 規格:平裝 / 320頁 / 21 x 14.8 x 2 cm / 普通級 / 單色印刷
  • 出版地:台灣
  • 適讀年齡:16歲~60歲

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