推薦序
老師,應該是知識的表演者
大同高中物理老師/劉彥廷
最初,我以為我拿的是一本談量子力學的正經科普書;翻了幾頁後,我開始懷疑它是漫畫書;再看了幾回,我發現我看的應該是章回小說;最後,闔上書本我才明白,我看的是一場精彩的「科學脫口秀」!
知識工作者,可以就知識鏈的位置,概略的分成兩種類型:「知識的生產者」和「知識的傳遞者」。前者如大學教授、科學家等,他們位於知識的上游,專門研究、產出知識,不斷的將人類的認知邊界往外拓寬。後者如老師,他們位於知識的中游,負責捧起前人努力獲得的知識,小心翼翼的傳到下游,讓所有的孩子都能拿著知識果實,站在巨人的肩膀上,看得更遠,跳得更高。
我是一名科學教育工作者,但比起將自己定義為知識的傳遞者,我更喜歡將自己定義為知識的表演者。我認為,好的老師應該像一名演員,盡可能的將知識「演」得有趣,將課程設計成一場場精彩的「秀」,吸引學生、引起學生的興趣。
在科學教學上,課程要「有趣」,不外乎就是三點:
第一,深具張力的演示實驗。
第二,幽默的口條。
第三,生動有趣的比喻和例子。
關於第一點,深具張力的演示實驗,在我學習、教授物理的生涯中,看過最精彩、最具戲劇性的演示實驗,莫過於麻省理工學院(MIT)的瓦爾特.列文(Walter Lewin)教授,有興趣的讀者可上網查詢。看完後,保證讓你印象深刻,點燃你的物理之魂。
至於後面兩點──幽默的口條、生動有趣的比喻和例子,我認為本書的作者絕對是個中翹楚,值得所有科學教育工作者取經。
關於幽默的口條,我很少看科學類的書會從頭笑到尾。舉個例子,作者在引言開頭,談到如何學習量子力學時,引用了「不自量力」這個成語,但這四個字,絕對不是你知道的那個意思!他說,什麼是不自量力呢?就是「不要自學量子力學」。
再舉個例子,提到量子力學之父──普朗克時,作者說他「除了彈鋼琴之外,什麼興趣都沒有」;談到與愛因斯坦齊名的大神級科學家──波耳,作者調侃他「擁有北歐海盜血統,從小就是科學流氓」;談到包立(沒錯!就是「包立不相容原理」的那個包立),因其不畏懼權威,敢於批評老師和前輩的個性,被比喻為「上帝之鞭」。這些科學大神,在作者詼諧的文筆下,雖稍誇大了缺點,卻也因此有了「人性」。科學與人文,作者用幽默,調出了黃金比例。
至於生動有趣的比喻和例子,作者在書中提到牛頓三大運動定律時,他是這樣講述的:
第一定律:所有的物體都很懶,都想活在舒適區!
第二定律:想加速前進,你就得多用點力!
第三定律:一個巴掌拍不響,兩個巴掌啪啪響!
看到這,也許有部分物理專業的人,開始眉頭緊皺,心中暗道:「這種胡說八道的內容,可以稱得上物理嗎?」
以前的我,也有同樣的想法,總認為真正的科學知識是嚴謹的、不容戲謔的。但隨著教學經驗的積累,我慢慢的體會到,對於一般學生來說,並不是所有人將來都要投入物理領域,所以嚴謹的、正確的知識,也許並不是首要考量。
有效的教學,必須做到「先講學生想聽的,再講老師想講的」。本書的作者深諳此道,他完美的體現了什麼叫做知識的表演者,為我們演出了一場精彩的科學脫口秀。
誠心推薦《上帝的骰子,量子物理大白話》,給所有想了解量子力學卻不得其門而入,還有對量子力學有興趣的朋友。這本圖文並茂、幽默詼諧的好書,絕對不會讓你有「不自量力」的感覺!
引言
量子力學的前夜
在開始讀量子力學之前,我們先了解一下「不自量力」這個詞。
其實,我在這裡想說的是:不要自學量子力學。
雖然物理學家費曼先生說過:「沒有人真正了解量子力學。」
不過,可別被「不自量力」給嚇到了。
但真正的勇士,敢於面對複雜的量子,敢於追趕智商的差距。
不過,為什麼要了解量子力學呢?
有什麼用嗎?
因為它是現代科學的基石,現代工業有50%與量子力學有關。
雖然沒有辦法直接體驗量子力學,但它確實是最有用的物理理論。
沒有量子力學,就不會有雷射、手機、電腦、衛星導航;
沒有量子力學,也不會有電子顯微鏡、原子鐘、核磁共振……,
沒有量子力學,更不會有量子計算、量子通信。
想了解量子力學,
得先學習一下牛頓力學。
國中時我們就學過牛頓三大運動定律。
牛頓第一定律即慣性定律:不受外力的物體,將在慣性中保持靜止或等速直線運動的狀態不變。
接著,他又給出第二定律,說明力、質量和運動之間的定量關係:物體的加速度與它所受的外力成正比,與它的質量成反比。
牛頓第三定律則指出:兩個物體間的作用力和反作用力大小相等,方向相反,作用在一條直線上。
說得通俗一點就是,牛一定律說:所有的物體都很懶,都想活在舒適區!
牛二定律說:想加速前進,你就得多用點力!
牛三定律說:一個巴掌拍不響,兩個巴掌啪啪響。
牛一定律說明了力是改變物體運動狀態的原因;牛二定律指出了力使物體獲得加速度;牛三定律解釋了力是物體間的相互作用。
除了牛頓三大運動定律,再加一個萬有引力定律。牛頓完成了古典力學架構,統一了萬物運行背後的道理。
這非常簡單易懂,理解起來完全無障礙。但是,對今天的人們來說非常簡單的牛頓力學,卻是兩千多年來科學家們的智慧結晶。
在牛頓建立宏觀力學之前,人類尊崇鬼神之學。
神學家、占卜家、星相學家、巫師等都是搶手貨。
不要說目不識丁的小老百姓,就連接受過高等教育的帝王也會「不問蒼生問鬼神」。
誰最會裝神弄鬼糊弄人,誰就能成為一方教主……。
上帝實在是看不下去了:再這樣下去,我的位置都保不住了。
天不生牛頓,萬古如長夜:讓牛頓誕生吧!
就這樣,天之驕子牛爵爺誕生,開始了他兩百餘年的科學界統治。
牛爵爺總結的定律太厲害了,使得一大批粉絲蜂擁而至!
大家都相信牛頓定律就是宇宙的終極真理,宏觀世界很快熱鬧了起來。
科學家們苦幹實幹加巧幹,一直幹到20世紀,終於建成了一座宏觀物理學大廈。
古典力學、熱力學、光學、電磁學等在大廈裡各司其職。
1900年,物理學界的「大巫師」克耳文男爵也露出了老父親般欣慰的笑容,他躊躇滿志的宣布:「科學大廈已經建成,往後的物理學家能做的,僅僅是一些零星的修補工作。」
這下好了,科學大廈都建好了,科學家似乎也沒什麼事好做的了。叫你們沒日沒夜的追求真理,現在都要失業了吧!
眼看科學研究經費一年比一年少,前途一片黯淡。這時,哥本哈根學派的一幫年輕科學家開始掀桌子。
這群科學家囔囔著:必得自謀生路了,再這樣下去都得去工地搬磚頭了。宏觀世界確實沒什麼事能做了,但是還有微觀世界啊!
牛頓力學只適用於宏觀世界,可是一旦深入微觀世界,例如原子級別,這套理論就完全無用武之地了。
於是,這幫年輕科學家轉戰微觀世界。終於不用擔心失業了,他們激動的歡呼:牛頓力學主宰宏觀世界,量子力學主宰微觀世界!
這兩個世界,最後讓奧地利物理學家薛丁格的貓管理邊界,大家井水不犯河水,各自領取研究經費。
那麼,量子力學到底是怎樣誕生的呢?
這就說來話長了……
人類在研究光的過程中,偶然邂逅了無辜的量子。因此我們的故事,得追溯到一個古老的問題──光是什麼?
那麼,光究竟是什麼呢?
是粒子?還是波?