《費曼的6堂Easy物理課》別懷疑,你就是原子,你全家都是原子

喜歡這篇文章嗎?歡迎分享給您的朋友 👍

為何而讀

了解世界
掌握底層智慧

在去年分別閱讀《別鬧了費曼先生》、《通往財富自由之路》、《精準學習》,對於物理學領域的知識,以及費曼教學方法的好奇就未曾間斷。

前些日子讀完《經濟學的40堂公開課》重新認識了經濟學,對於理解世界的方式產生了巨大的改變,不禁讓我想暫時投入另一門學科的懷抱,體會物理學帶給我的感動,尤其是透過物理界的教育大師 – 費曼來授課,效果必定不同凡響。


費曼與本書簡介

費曼的6堂Easy物理課

理查.費曼不僅是繼 18 世紀牛頓、19 世紀愛因斯坦之後,20 世紀以來最偉大的物理學家,他也是備受世人推崇的教育家。

曾在大學教授基礎物理學,很多學生慕名而來聽他講物理,而後整理成《費曼物理學講義》,造福無數莘莘學子踏入物理學殿堂。

而《費曼的6堂 Easy物理課》就是根據該書擷取出來的精華,分別講述「原子、基本物理學、能量守恆、重力理論、量子物理」的觀念。用最簡單、最少數學的方式介紹物理之美,是一本了解世界運作的好書!


本書分為六個篇章,本文將依序整理在粉專發佈的閱讀分享文章,依序為「篇章重點、心得分享、金句」,誠摯與您分享物理世界的奇幻美妙。

費曼的6堂Easy物理課篇章重點

Ch.1

一切東西皆由原子構成

一、從何學起

  • 定律:歸納的簡單、明確原則
  • 沒有絕對事實:未知過多,世界是持續在拼湊的拼圖
  • 物理學家的分類:理論 vs. 實驗

二、原子組成的世界

  • 原子假說:一切東西皆由原子構成
  • 性質:熱、力、運動
  • 分子、離子:持續受熱影響、運動、化學反應
  • 布朗運動:粒子受撞擊的不規則運動

Ch.2

一、科學方法

  • 目的:找出遊戲規則(基本物理)再“統合”
  • 方法:觀測、推理、實驗
  • 歸納:特殊狀況、一般性結果、近似法
  • 具體統合實例:熱學+力學、電磁光、化學量子力學

二、1920年以前的物理

  • 主要元素:空間、時間、粒子(原子量級)
  • 長程力:重力
  • 短程力:電力,產生電場);電力有相對運動場造成磁力,產生磁場
  • 三種波的行為:場、波、粒子

三、量子物理(1920以後的物理學)

  • 緣由:原子核內的世界
  • 特色:與古典力學相違背,無法同時觀測粒子準確位置與速率(測不準原理)
  • 新發現粒子:光子、正子、反粒子
  • 結果:量子電動力學,幾乎解釋目前可看到的物理現象

四、原子核與粒子

  • 基本粒子:重子、介子、輕子
  • 粒子交互作用(依序遞減):核力、電磁、β衰變、重力

Ch.3

任何不科學的事物,不見得一定不好,愛情就是一個好例子
  • 「自然哲學」進步為「自然科學」
  • 物理學與「化學、生物學、天文學、地質學、心理學」的緊密關係
  • 「它是怎麼來?」的生命追問

Ch.4

ㄧ、什麼是能量

  • 世間上的一種量,我們稱之為「能量」,在自然進行各種變化時,這個量會維持不變。
  • 他不是在描述一種機制,或任何具體的東西,它只是在描述一個奇怪的事實。

二、重力位能

  • 重力位能 = 重量 x 高度 = WH
  • 能量變化 = 力 x 力所推過的距離

三、動能

  • 動能 = WV²/2g

四、其他型態的能量&守恆律

  • 型態:彈性能、熱能、電能、輻射能(光能)、化學能、核能……
  • 守恆律
    • 具有空間/時間性:能量守恆、線性動量守恆、角動量守恆
    • 簡單定數性:電荷守恆、重子守恆、輕子守恆

Ch.5

慣性的意義就是:「物體慣性如果愈大,就愈難拉著它、讓它繞著一個圓圈旋轉」

一、重力公式 F = Gmm’/r²

二、行星運動的歷史

  • 哥白尼
  • 第谷
  • 克卜勒三大定律
    1. 行星以橢圓軌道繞太陽運行
    2. 太陽與行星徑向量,在相同時間掃過的面積一致
    3. 繞太陽行星週期 T 與軌道半長軸(橢圓最長直徑之半) a 的關係:T² ∝ a³

三、牛頓的重力定律

  • 萬有力:每件東西都會吸引其他每件東西

四、萬有引力

  • 羅默:推測出「光速」
  • 亞當斯&萊威利埃:推測出「海王星」
  • 卡文迪西:計算出重力定律常數 G
  • 科學家解釋星系、星團、星際存在現象

五、重力與相對論

  • 愛因斯坦重力定律:相對論修正牛頓重力定律

Ch.6

ㄧ、原子行為:粒子、波

二、想像(干涉)實驗

  • 子彈實驗:無干涉效應
  • 水波實驗:有干涉效應
  • 電子實驗:有干涉效應

三、干涉實驗

  • 觀察:無干涉效應,似子彈
  • 不觀察:有干涉效應,似水波

四、量子力學發展

  • 海森堡的測不準原理 (Uncertainty Principle):無法同時得知一個粒子的位置與動量(或能量與時間)。
  • 第一原理:「可以決定實驗進行方式,干涉不會發生;沒有試著決定,干涉就會發生。」
  • 第一原理延伸定義:「第一原理通常是跟計算聯繫在一起的……,沒有其他實驗的、經驗的或半經驗的參量,且具有很好的移植性。」

五、延伸參考


心得分享

Ch.1

原子組合的奇妙

本書第一個章節,費曼使用非常淺顯易懂的方式來描述原子、分子、粒子等等性質與現象。容易吸收的程度,我相信小學生都能快速理解。

費曼用大量的比喻,不禁讓我聯想原子間的互動,也能用來比喻人與人之間的互動關係

  • 吸引力:兩個距離再遠的原子,當陰錯陽差地讓他們彼此相遇,又正負相吸,再遠的距離,也可能讓彼此靠近
  • 排斥力:兩個太過靠近的原子,當彼此性質不對盤,又不小心靠得太近,那麼就會有股力量讓他們彼此排斥。

所以說,兩個人會互相吸引或互相討厭,有沒有可能是全身原子吸引力、排斥力的加總結果呢? 這真是個耐人尋味的問題,哪天腦神經學家會做出相關研究也說不定!

除了原子級別的電力,後面還會提到重力,以及因電場移動產生的磁力,都是可以拿來類比人與人之間遠近疏離的絕佳範例(力)。

為己所用的定律

物理學家的工作,就是將已知的客觀事實,整理歸納出一個禁得起驗證的假說,乃至於成為定律。

人們一生的勞碌,就類似物理學家,透過假設、實驗、試錯,歸納出自己的一套人生定律,為己所用。

如果能借助物理學家已發現的事實,或使用實驗物理學家實事求是的實驗方法,來歸納自己所看到的現象,那麼對於理解世界如何運作,將會更加了然於胸。以致於有能力進一步歸納、推測事件走向,減少人生涉入未知領域的系統性風險。

最後,我也想感謝這些偉大的物理學家們,窮盡一生的光陰,為世人拼湊這幅奇妙的宇宙地圖,雖然這幅拼圖很可能沒有拼完的一天,但是透過他們的努力,我們不斷發現驚喜、也能夠持續讚嘆造物主的奇妙可畏。

保持彈性

原子很奇妙,在不同的狀態,會呈現不同的物理性質。

人也是一樣,身處不同環境、不同場合、面對不同壓力的情況,人流露出的情緒、行為、話語也會不同。

這樣的不穩定,造就了這個世界既繽紛又充滿危險。

繽紛在於,生物的個體差異,註定了世上不會有兩條重複的生命軌跡,人與人的相遇,都會激盪出屬於他們各自擁有的火花,別人搶也搶不走;危險在於,這些因環境而造成的差異,人的行為看來變幻莫測,無法百分之分預期,我們只能期待事情會如此發生,從物理學家的角度來看,這一切預期都成了概率的算計。

所以回到原點來看,原子的性質會因狀態不同而變化,無法一概而論了,更何況是由原子組成的人呢?

Ch.2

實驗,是檢驗任何觀念是否屬實的唯一方法

我與物理學家的共同點

「思考的最終目的,就是將實驗、經驗歸納為己所用,再予以分享。」

當我們在網路上讀到一篇引人共鳴的文章,往往是創作者將個人感知透過文字表達,一旦正巧歸納倒眾人的經驗,創造出集體共感,就會成為一篇「爆款文」。

其實仔細一想,物理學家也在做同樣的事情,只是他們解釋的現象,是那些人們對於大自然本應有的好奇心,只可惜教育環境一不小心就扼殺的珍貴寶物。

前者是對於普遍經驗的歸納,後者則是對自然現象予以總結。

我在學習與思考的過程中驚訝地發現,透過閱讀與創作,將持續激發自己對於周遭事物的感知能力。在這過程中,使用學到的新工具予以歸納、並連結底層知識,建構出自己對於世界的認識,最後總結分享。其實在做的事情,與這些偉大的物理學家差距不遠!

擁抱未知的恐懼

従18世紀到20世紀前後,科學革命推展人類對於世界的認知邊界,已遠超乎過去數千年的總和。

然而従量子領域被探索至今,物理學家所做的努力,也存在近乎百年的歷史,至今仍無法完全掌握該領域所有存在的粒子,更遑論這些粒子的特性與一個統合的定律。

人生也是一樣。

在成長的過程,我們持續學習,掌握更多世間的知識,然而過程中會發現所認識的世界背後,隱藏的是更多未知。

生命有限、宇宙無限,如何在有限的生命,面對更多未知的恐懼,進而去擁抱它;如何抓住僅存的有限,以換取的生命的無限。這是每一個人,都必須持續去思考的問題。

預測的必要性

致富心態》一書,有一句話我很喜歡:「安全邊際就是讓預測變得毫無必要」。

這是生活的智慧,在物理的世界,也同樣看得到這個現象。

量子力學領域,科學家可以安排原子發光,並在之後捕捉到這個發光原子的「光子」。然而科學家做不到的,是該原子「何時」發光,以及「哪一個」會發光。

這與投資市場相類似,我們每每看到市場預言家說:「市場即將迎來泡沫」,但他卻不會明說是哪個市場,抑或是指名特定標的會崩盤,卻從來不說何時。

原因很簡單,他不會知道也無從知道,就如「發光」的原子一般,「吸引眼球」很容易,但是預測卻毫無意義

了解了這層量子力學背後的道理之後,或許也可以幫助我們對於人生的抉擇,有不同於以往的思考。

Ch.3

從科學談不科學

「如果有人說某件事物不科學,並不一定意味該件事物真的出了什麼差錯,而只是指它不是一門科學罷了。」

費曼這位堂堂物理學家,從科學的視角去看不科學的事物作出的評論,讓我感到慚愧不已。

由於自己深受島國隔離政策之苦,該政策幾乎可定調為世界數一數二奇葩的妨害自由規定。我曾天真地以為國家的防疫作為,就是應以科學為根據,然而事與願違卻因此憤恨不平。

在看了費曼對於「不科學」所下的註腳,心中稍得安慰。因為這個世界的複雜,本就非單純使用科學可解釋。經濟、政治、外交、階級制度……等諸多因素參雜其中,就是讓身處島國的台灣機組員,享受到這個得天獨厚的無限緊箍咒。

儘管時不時會因此而心生埋怨,但是當百年前的人物,說了一句意味深長的不科學評論,再想想《活出意義來》在集中營倖存的 Viktor Emil. Frankl ,就會覺得隔離的痛苦真的不算什麼了。

持續改變的事實真相

過去的詩人,在尚未了解星球的組成真相,會用盡各樣的詩歌頌詞來描述星體之美。「然而為何今天面對事實的詩人,卻都變成了啞巴呢?」這是費曼的調侃追問。

這不禁讓我思考,在歷史長流中人們所面臨的問題,其實都大同小異,只是以不同形式出現在不同時期而已。

自有文字發明以來,千百年來的作家,始終不曾在歷史上缺席。

創作者會用他們眼睛所看見的事實,經過咀嚼思考後,用文字來描述一己之感知。這種將內心景況投射出來讓人們理解的過程,不僅有趣,也是我熱衷的事。

在這持續思考的過程,事實會不斷被推翻、觀念會不斷被更新,對同樣的事物也常常會有全然不同的想法。

其實這與物理學的發展也相類似,18世紀我們以「牛頓力學」來描述世界,到了今日會發現 F=ma 無法解釋很多現象,取而代之的是「量子力學」。

在學習過程中持續調整自我、描述事實,目的就是為了讓人們可以更貼近去掌握世界的真相。

知音難尋

「知音難尋,然而這個世界不就是如此嗎?」

女孩:「瞧瞧這閃亮的星星,多麼的美麗啊!」

男孩:「可不是嗎!我可是世界上,唯一知道恆星為何發光的人!」

一個了解星球如何發光的天文學家,在花前月下的夜晚,沒有體會到女孩感受到的美,而是自個兒萌生一股「知音難尋」的感慨。

這個有趣的事實,在學習路上也時不時會盤旋在心中。

透過洞悉物理,掌握天文,了解自身存在猶如滄海之一粟,就會體會到這種的煩惱根本算不了什麼,不過就是腦神經細胞的原子胡鬧作祟、無病呻吟罷了!

Ch.4

凡是物體,只要「存在」就有能量

能量與目標的關係

我們應該都聽過一個諺語:「量變帶來質變」。

在讀完關於位能公式的解說之後,我對於這句話有了更多一層的體會。

Level 1:従原子的角度

量變的「量」,通常我們指的是「數量」。

可你曾想過,這些數量其實是無數「能量」積累所達成的?

能量存有很多種形式,其中最具威力的就是現在科技還無法完全掌握的核能。

科學家透過微小粒子產生撞擊,就能造成原子核內部產生本質上的變化,也就是所謂的「質變」。

原子能「量」的碰撞,帶來本「質」的改變,這股能量從何處來呢?其實人生無一處非由能量組成不是嗎?我們與這些能量相遇之後,自身就不斷受刺激而改變,這是一種「量變帶動質變」,也是我對於原子能「量」的第一層思考。

Level 2:従能量的角度

重力位能 = 重量 x 高度

當努力完成一項艱鉅的任務我們會說「成功」,這過程,通常需要投注一定程度的資源。

如果把重力位能的「重量」比喻為做事情的「方法與觀念」,那麼重力位能 「高度 」就可以比喻為「時間、耐心、毅力」。

這兩天正巧在《劉軒的 How to 人生學》EP75 聽到了「心理摩擦力」的概念。

在結束中摩擦力是這麼被描述的:「在前進的過程中,摩擦力勢必得存在,當摩擦力被克服了,物體(鞋子、輪胎)才得以往前進。」

物理學中提到的「功」定義是「力 x 距離」,其單位和重力位能其實是相同的,只是用不同軸向的運動在思考能量這件事。

一個艱鉅的任務要成功,往往會有很多條件需要被克服,任務的盡頭也並非總是能看見,或是被清楚定義。

所以持續的學習,改進做事的「方法與觀念」,持續努力,抱持「時間、耐心、毅力」,克服困難事物本質上會有的「摩擦力」,其過程就好似物理上的「作功」。

當一切條件水到渠成之後,該發生的事,就會自然發生,也就是開頭所說的「量變帶來質變」。

努力用「功」與成「功」,不僅在中文字上巧妙的用上了同樣的字,也將物理與現實世界巧妙地做了連結。

飛行說穿了就是能量管理

還記得在航路訓練時期,有位教官曾跟我說:「飛機的操控,說穿了其實就是在管理能量」。事後我去咀嚼這句話,不禁深有同感。

當我進一步思考,試著將能量管理,分成飛機的外部與內部:

飛機外部

  • 飛機:飛行員在空中使用一桿兩舵與油門,落地階段另外搭配減速板、反推力與煞車,透過操控「機械能、化學能、動能、位能」彼此的消長,來控制飛機理想狀態,就是飛行員所做的事情

飛機內部

  • 與自己:管控好自己的疲勞程度,適度的分配自己的精神狀態,以應付長時間的低壓、乾燥、吵雜的機艙環境
  • 與他人:與搭擋的組員,建立良好溝通橋樑,彼此在工作、話題上,能夠保持著正向、同頻率的互動,同樣需要智慧

不論是飛機本身,或是飛機內部發生的一切,其實都是巧妙地管理能量的任務。

所以說飛行員的工作就是在「管理能量」,真是一點也不錯!

Ch.5

萬有引力的重要性

費曼這段介紹重力,也就是萬有引力的章節,真是十分過癮。

基本上他把天文學従 15~18世紀的歷史簡單交代完了,這也讓我首度明白萬有引力的發現,對於人類科學,究竟帶來什麼樣重要的意義。

人類仰望星空,對於天體的好奇千百年來未曾間斷。

透過觀測、實驗、計算,科學家一步步地歸納出大自然的規律,整理成單一公式,而這條公式,可以描述我們看見的所有天體現象。

科學家在確立了重力公式之後,接著估算出光速大小、計算出重力常數的 G 值、了解潮汐現象原因、觀察到太陽系的其他行星……。

這些突破,帶領人類的科學文明大幅度的躍進,也讓人類得以離開地球表面,走進太空一窺宇宙的奧秘。

這一切的突破創新,都要歸功於掉到牛頓頭上那顆蘋果的「萬有引力」。

擺脫慣性,回到最初

慣性的意義就是:「物體慣性如果愈大,就愈難拉著它、讓它繞著一個圓圈旋轉」。

拿慣性定義,來比喻一個人容易改變的狀態,是再適合不過。

人隨著年紀增長,對於世間的事物會漸漸產生許多主觀的見解,通常是根深蒂固的。

「刻板印象、僵化思維、習慣動作」都是讓我們無法改變狀態的慣性;

相反的,一個習慣接收新事物的人,對於「改變」的狀態,相較他人來說,在打破「不變」的慣性,就顯得容易許多。

讓自己在實際年齡增加的同時,盡可能降低自身「慣性」,持續學習以適應變動的世界,我認為這也是推廣閱讀、終身學習的最大原動力。

潮汐現象

潮汐現象是如何形成的?過去在國中地球科學對於該現象一知半解。

透過費曼解釋萬有引力,再搭配李永樂老師的板書影片講解,令我更加明白該現象如何存在。

此外,月球因為奇妙的力平衡,在浩瀚宇宙中,總是以同一面向著地球,讓地球上的人們,從來沒有機會看見她背面的神秘面紗,這也是一件非常奇妙的事。

當了解越多,越無法不去讚嘆造物主的奇妙可畏!

Ch.6

在我們最好的安排下,要精確預測會發生什麼事是不可能的,我們只能預測機率而已

被觀測的粒子

在量子力學的雙夾縫實驗結論 – 「粒子被觀測,與沒被觀測時,在實驗中產生的粒子分布狀況會產生不一」,我認為這與人的性質十分類似。

大多數的人,在未經特別訓練的狀況之下,對於上台講話必定充滿了焦慮感。

主要原因,就是因為感覺台下有千百隻眼睛盯著自己看,於是乎緊張失常;然而空無一人的情況下獨自練習,卻可以完美展現。

人就是那麼簡單,由原子組成,本質就和量子級別的粒子一模一樣!

待長大成熟之後,會漸漸發現一個事實:其他人某種程度上,其實真的沒那麼在意你的舉手投足。

你的說話語氣、走路姿態、是否吃螺絲、忘詞,這都只是一時的現象,觀眾並不會在一個人的心中無限播放、持續放大,會如此做的只有自己而已。

一旦明白了這個粒子特性,克服這個「被觀察」的想像,或許就能「決定」自己本來應有的樣子。

確定與不確定

「古典物理 vs. 量子物理」最大的差別在於前者擁抱「確定性」,試著想找出公式來解釋萬物;後者則是擁抱「不確定性」,因為科學家無法預測在特定狀況下會發生什麼事。費曼形容道:「物理學家對於想了解自然的理想而言,這是一種『撤退』」!

這不禁讓我聯想與人生的相似性。

在人生初期,我們拼命學習,試著掌握世間一切知識,「確保」讓自己過上好日子,「確認」自己遇見對的人,「確信」自己的價值信念正確無誤,並捍衛到底,就如古典(舊時代)物理學家所做的努力;

人生中後期,我們明白許多事並非操之在己。世間萬事充滿隨機性,太多不可控、不確定、無法預測的事情相繼發生。金融海嘯、川普成為總統、Covid-19….,就是屬於這時代最鮮明的例子,正如20世紀後(新時代)物理學家所做的努力。

然而量子力學是否就是宇宙的唯一真相,目前還未可知。但是如何在「確定與不確定」的萬象世界,找到自己的人生方向,這會是值得思考的一個問題。


感動金句

Ch.1

  • 一切東西皆由原子構成。
  • 實驗是科學真偽的唯一裁判。
  • 以哲學觀點來看,任何近似定律都是完全錯誤的。
  • 只要是活著的東西所做的事,都可以經由以下兩點來理解,第一,他們是由原子構成;第二,原子行為遵守物理定律。

Ch.2

  • 基本理論物理所面對的問題,是去「分頭發現實驗背後隱藏的定律,以便把這些分開的科目(熱、電、力學、磁、光、核物理)再度『統合』」起來。
  • 實驗,是檢驗任何觀念是否屬實的唯一方法。

Ch.3

  • 任何不科學的事物,不見得一定不好,愛情就是一個好例子。…… 所以如果有人說某件事物不科學,並不一定意味該件事物真的出了什麼差錯,而只是指它不是一門科學罷了。
  • 世間一切皆由原子構成,而生物的所有行為都可以用原子永不休止的騷動來加以解釋
  • 知音難尋,然而這個世界不就是如此嗎?
  • 一旦動物學習到某件事,牠就變得能夠做些牠以前不會做的事情

Ch.4

  • 凡是物體,只要「存在」就有能量。

Ch.5

  • 唯有從新的定律中,推測獲得新知識,這新的定律對我們才有用處
  • 「年」並不是一個自然單位,而是由人定義的
  • 慣性的意義就是:「物體慣性如果愈大,就愈難拉著它、讓它繞著一個圓圈旋轉」

Ch.6

  • 人的直覺經驗,只能適用於大物體;小尺度的東西,我們必須用抽象或想像的方式來學習。
  • 在我們最好的安排下,要精確預測會發生什麼事是不可能的,我們只能預測機率而已,…… 必須體認到對於我們想了解自然的理想而言,這是一種「撤退」。

說書影片推薦

【好葉】費曼學習法


費曼的6堂Easy物理課》 博客來購買連結 個人推薦指數 4.9/5 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

Amazon 評分 4.6/5 (1882)⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️


喜歡這篇文章的話,請不吝嗇地 C.L.S. 或是右側欄位訂閱支持我。

Comment:歡迎在下面留言區和我分享你的想法或是行動
Like:或是在下方按個喜歡
Share:也歡迎分享給你的親朋好友 ‍❤️‍


喜歡這篇文章嗎?歡迎分享給您的朋友 👍

Similar Posts

Leave a Reply