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好書導讀 |《物理之美》

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Photo by Jonatan Pie on Unsplash

「物理」是萬物運行的道理,「物理學」則是在探究物質、能量等事物背後的本質與性質,以呈現出大自然的律動與模式,而我們把這些律動與模式稱為「物理定律」。美妙的是,這些定律都可以用極其簡單的數學形式來呈現;換句話說,想要感受物理之美,數學是必要的。

那麼要如何在避開困難數學的情況下,向聽眾講述物理之美呢?教學經驗豐富的費曼接受了挑戰,他在《物理之美》(原名為「物理定律的特徵」的講演)中,以一般人熟悉的牛頓為例,娓娓道出牛頓如何運用前人的智慧,導出重力定律。

費曼從人類發現行星會在天空移動說起。雖然古人早推論出行星圍繞太陽運行,但此發現消聲匿跡了一段時間,許久之後才由哥白尼重新提出,在當時還興起一陣爭辯。等到克卜勒根據第谷縝密的紀錄,推導出「行星三大運動定律」,才改變了天文學長期以來的「地心說」體系。

難以想像的是,牛頓竟然能把原本已十分簡潔的行星三大運動定律,再歸納成重力定律,簡單用一條式子便呈現了行星之間的運動。正因為如此精妙,牛頓的這項工作曾獲譽為「人類心靈所達成過最偉大的推論」。

費曼強調,重力的作用當然十分複雜,但我們可以用簡單的形式來加以描述重力的模式。有趣的是,重力內含的「距離平方反比律」竟然和電磁力一致,兩者彷彿有著更為深刻的關係,可是目前仍然沒有人能把它們整合成一種概念。

費曼接著又用精熟的譬喻技巧,說明了守恆定律、時空對稱、時間的方向性,以及量子測不準等性質。雖然這些物理現象相當抽象,但我們可以藉著這些日常生活中習以為常的物品,理解費曼所講述的物理現象。

在這一系列演說的最後,費曼解釋了科學的精神。他先介紹人類目前對大自然的瞭解程度,再說明科學家如何發現新定律:第一步是「猜」,再計算出結果,最後用實驗比對。然而,經驗不足的學生經常提出複雜的猜想,但成熟老道的科學家往往會做出簡單的猜測,原因就在於「真理永遠比想像中簡單」。費曼告訴我們,大自然這種「簡單」的特徵,無疑是一種偉大的美。



►本文摘錄自《物理之美
►►本文作者為天下文化資深編輯