關於物理的100個故事

最早的靜力學著作──《墨經》中的樸素原理

在詳述故事之前，我們得先瞭解兩個問題：

一、靜力學是什麼？

二、《墨經》是一本什麼書？

靜力學，是物理力學的一個分支，它主要研究物體在力的作用下處於平衡的規律，以及如何建立各種力系的平衡條件。說得通俗一點，就好比一個雜技演員走鋼絲，他頭上、手上、肩膀上都有一大堆的盤子，靜力學是維持讓他平穩走過鋼絲的一門科學。

那《墨經》是什麼呢？

這是一本由春秋末期著名思想家，墨翟和其弟子所寫的書，具體來說還不能算書，應該算章節，因為墨翟寫了《墨子》，而《墨經》只是《墨子》中的一部分。

墨翟，被後人尊稱為墨子，當時有名望的人都會被稱作「子」，比如孔子、孟子等，墨子也不例外，做為出身平民的哲人，他擁有著廣泛的群眾基礎，名氣一度跟儒雅的孔子不相上下。

據說墨子原本是一個木匠，常發明出一些令人驚奇的小玩意兒。有一次，他甚至弄出了一個會動的木頭人，大家一看，不由得得驚訝地合不攏嘴：「這不是上古時期的奇門遁甲之術嘛！」於是，墨子「成仙」的傳聞就流傳開了。

墨子的弟子也覺得神奇，就跑過來問：「師父，弟子愚鈍，想知道那木頭人是怎麼動的。」

墨子氣定神閒地捋著鬍子，將弟子帶到自己的工作室。

這時，那個臉頰上的絨毛還未褪去的年輕弟子不由得自主地發出一聲驚呼。

只見僅有二十平方公尺的陋室裡，裝滿了各式各樣的工具，甚至連樑上也掛著好幾隻類似鳥一樣形狀的木製玩偶。

墨子走到桌邊，拿起一根木槌，遞給弟子，笑著說：「你把它提起來。」

雖然不解其意，弟子還是順從地將木槌提起。

「能否再用力一點？」墨子似乎並不滿意，敦促弟子道。

弟子捲起袖子，大喝一聲，將木槌提過胸口。

「哈哈，好！」墨子拍手大笑，他忽然問了一個問題，「你有沒發

墨子在戰國時期創立了以幾何學、物理 現，木槌能被提得多高，取決於你使了多大的力呢？」

學、光學為突出成就的一整套科學理論，在諸子百家中，有「非儒即墨」之稱。

弟子點頭，但有點疑惑：難道這跟會動的木頭人有關係嗎？

「我們對每一樣東西所施的力，都會以一定的形式呈現出來，這就是力的平衡啊！」墨子捋著鬍鬚感慨道。

他的弟子更糊塗了，連忙向恩師請教：「師父，這種平衡有什麼作用呢？」

「當然有用！」墨子引領自己的弟子走到機械木頭人前，然後指著木頭人身後的一個發條說，「當我轉動這個發條，沒有生命的木頭就會動起來，這是因為我對它施加了力，所以這種力要發洩出來啊！」

說罷，墨子就在發條上順時針轉了好幾圈，果然，木頭人開始向前走起來，它每走一步，發條都會逆時針轉動，當發條停止轉動之時，木頭人才停下了腳步。

弟子這才明白，原來師父用的並不是什麼奇門遁甲之術，而是一種非常巧妙的力學原理，不由得得佩服得五體投地。

《墨經》大約成書於西元前三八八年，內容涵蓋了自然科學知識、墨家思想、各種社會活動。

《墨經》分四篇；《經上》、《經下》、《經上說》、《經下說》，其中絕大多數講的是邏輯學理論，物理學知識佔據了二十多條，幾何學知識約有十幾條，另外還有一些零碎的關於政法、經濟、建築、心理學等方面的知識。

可別小看了這二十多條物理學理論，因為這大概是人類歷史上最早的物理學著作了，要知道，《墨經》問世時，西方的博物學家亞里斯多德才剛年滿四歲！

在這些物理學知識中，《墨經》認為，力就是使物體運動的方法，它甚至給出了槓桿原理的公式，即力x 力臂＝重x 重臂，此外，它還對運動、靜止、重心、斜面、浮力等力學原理進行了初步闡述。

除了力學外，《墨經》中也有對光學的研究，講述了凹面鏡、凸面鏡、平面鏡是如何成像的道理，這比古希臘最早的光學記載提前了一百多年，因此是十分珍貴的科學典籍。

【十萬個為什麼】

力學有哪幾種分支？如果將物理比作大千世界，那麼它的分支就如同顯微鏡下的微觀世界，也許可以小到沒有盡頭。

力學是物理學的主要學科之一，可粗略分為：靜力學、運動學和動力學。

在《墨經》中，靜力學被分為槓桿、輪軸、斜面、浮力等方面，而現代根據研究對象的不同，靜力學又被分為：質點靜力學、剛體靜力學、流體靜力學等。

盲目崇拜地球的古人──天圓地方的初級宇宙觀

在遠古時代，人類逐漸演化成三種類型：第一種：從出生之時就覺得好奇：咦？天怎麼這麼高啊！然後他向遠處眺望，又有所悟：天和地已經連在一起了，說明天就是個大穹廬，把地給蓋住了！

這種人好奇心很強，還喜歡四處走動，結果發覺怎麼─都走不到世界的盡頭，於是他認為，地被天這個穹廬扣住了，所以不必擔心在地上走著走著會掉下去。

終於有一天，他在吃飯的時候，看見自己的老婆拿著一個半圓形的防蟲罩扣住四方桌上的飯菜時，突然發狂，手舞足蹈地笑道：「我明白了！天是圓的，地是方的！就跟飯桌一樣！」

接下來說第二種人：自從第一種人提出「天圓地方」的假說後，第二種人就愉快地接受了這種說法。他們心想：管那麼多幹什麼？反正天又不會塌下來！還是賺錢最重要！

第三種人：這種人太把「天圓地方」當回事了，整天擔心天被撐得這麼高，會不會塌下來，地上承載了那麼多重物，會不會陷下去，結果整天愁眉不展，差點就要一命嗚呼。由此可見，古人太把地球當回事了，總覺得「地」是一切的中心，

要不然，天怎麼會長得像個大罩子一樣把地罩住呢？所以，天圓地方的世界觀是古代最初級的一種天體力學理論。

而在古巴比倫，人們也有類似的觀點。

雖然古巴比倫人並沒有提出天圓地方的想法，但他們卻同樣認為地球是宇宙的中心，日月星辰都圍繞著地球來轉。

這幫人熱衷於研究天文，每個晚上都會把星星的位置在紙上畫出來，然後總結歸納出行星的運行模式，於是，一門讓如今萬千人士興奮不已的占卜術誕生了！那就是星座預測命運之法。

最初的天文學家都是佔星師，他們的任務就是為國王算命，每逢國王要出征或嫁娶時，都會找佔星師們算一卦，這時候那些大師就拿著星盤看上半天，口中唸唸有詞：「此次這樣做也無不可，只是得小心謹慎，以防不測。」

總之，就是說了等於沒說，但所有人都很高興，以為自己預測到了不可知的未來，所以說，佔星確實是個用腦力的工作，考驗的是星座大師如何把話說得模稜兩可。

由於盲目崇拜地球，古希臘人認為肯定有一些神祇在統治著人類，而那些神祇的居住地——奧林匹斯山居然在地球上，而且還在希臘！

從中倒能看出，古人的自我感覺實在良好，雖然將一個錯誤的宇宙觀奉為神明，但絲毫無損其快樂的生活。

西元前二○○多年，古希臘一個名叫亞里斯塔克斯的學者突然覺得地球不應該是宇宙的中心，太陽才是，於是他提出了「日心說」，還試圖測量地球到太陽之間的距離。

結果可想而知，他失敗了，還差點被人們的唾沫給淹死，因為「地心說」已經深入人心，他的觀點無異於是和廣大人民群眾作對，是沒有好下場的。

又過了兩百年，古希臘天文學家托勒密微笑著向世人闡述了一個邏輯嚴密的「地心說」：地球是宇宙的中心且靜止不動，在其周邊，從內向外依次有月球、水星、金星、太陽、火星、木星和土星，這些日月星星都圍繞著地球旋轉。

托勒密的「地心說」一出，受到了人們的廣泛歡迎，因為這迎合了人們的唯「地球」獨尊的想法。

地心說一直流行了一千五百年，直到哥白尼提出異議，才逐漸土崩瓦解。

【十萬個為什麼】

星座真能預測命運嗎？

古人崇拜神，便將夜空中的群星想像成某種或人或物的形狀，稱其為「星座」。由於每個時段天空中出現的星座不一樣，所以就有了「黃道十二宮」，也就是每個人出生時的命主星——太陽星座。

雖然有人認為，行星出現在不同時刻，對人的命運確實有一定影響，但實際上，組成星座的那些星星都距地球有數光年甚至數億光年之遙，而它們之間的距離也很遙遠，我們不得不苦笑了：在浩瀚的宇宙中，那些龐大的恆星真能對小如螻蟻的人類產生影響嗎？

最早的靜力學著作──《墨經》中的樸素原理

在詳述故事之前，我們得先瞭解兩個問題：

一、靜力學是什麼？

二、《墨經》是一本什麼書？

靜力學，是物理力學的一個分支，它主要研究物體在力的作用下處於平衡的規律，以及如何建立各種力系的平衡條件。說得通俗一點，就好比一個雜技演員走鋼絲，他頭上、手上、肩膀上都有一大堆的盤子，靜力學是維持讓他平穩走過鋼絲的一門科學。

那《墨經》是什麼呢？

這是一本由春秋末期著名思想家，墨翟和其弟子所寫的書，具體來說還不能算書，應該算章節，因為墨翟寫了《墨子》，而《墨經》只是《墨...

前 言 物理是一塊永遠在吸水的海綿

十九世紀末，德國一個名叫普朗克的小伙子要考物理系，後來成為他導師的教授連連搖頭：「小伙子，別誤入歧途啊！物理已經被人研究透徹了，你進去只能是拾人牙慧！」

一句話差點讓一個物理學天才放棄理想，幸好普朗克沒有妥協，終於發現了量子力學。

這說明在很多時候，我們以為的，只是自以為是而已。

還是拉塞福說得好，我們每個人都只是地球上孤陋寡聞的人，所見所想都是片面的，因而也沒有資格去評判，去武斷地下結論。

其實在物理學之初，這種武斷就一直存在。

在古希臘，出了兩個著名的物理學家——亞里斯多德和阿基米德，前者好理論，後者愛實驗，後來，教會覺得亞里斯多德的理論有利而對其加以推廣，結果阿基米德就沒落了。

亞里斯多德代表著古典物理學的權威，由於沒有人敢懷疑他的理論，導致他影響了歐洲物理界整整一千九百年。

十七世紀中葉，英國出現了一個名為牛頓的人，據說被蘋果砸中，因而發現了萬有引力定律，隨後又總結了力學三大定律，他用無可辯駁的實踐經驗和理論知識將古典物理學的框架擊得粉碎。

就這樣，經典物理學誕生了，而後的一系列學者不斷對其進行完善，終於蓋起了一座邏輯嚴密的物理殿堂。

在這個殿堂裡，牛頓是老大，地位不可動搖，人們狂熱地崇拜他，因而覺得物理再也沒有需要研究的可能。

如果不是普朗克和愛因斯坦等科學家的執著追求，物理學不會更進一步，量子力學和相對論也就不會產生。

因為人類孤陋寡聞，所以做為真理之一的物理，勢必得像一塊海綿一樣，不斷吸水，儘管它已膨脹得很大，但其實遠遠沒有到達它的極限。

在物理學中，力學是不可忽略的一大分支，不僅因為有牛頓、愛因斯坦等人，還因為它是人類在地球上，甚至是宇宙中生存的必要條件。

無重力，我們會漂浮在空中；無浮力，我們則將沉入大海；無摩擦力，我們將無法走動；無壓力，我們將看不到地球上光怪陸離的姿態。

隨後，科學家們又研究起電磁學、光學、原子能學等。

其實，無論這些學科如何劃分，它們隸屬於物理學這一大類別，彼此間總有可聯繫之處。

比如，電磁學研究的是電與磁之間的相互作用，便可產生作用力；在光學方面，光被證明是一種電磁波，同時光又是一種粒子，因而可與電磁學和原子能學關聯。

至於在二十世紀初才發展起來的原子能物理學方面，人們發現了原子、分子、電子等粒子的運動規律，有運動，自然就有力，於是又與力學聯繫在一起。

看來，物理學教會了人們：世界萬物都是運動的，而這恰好也是哲學上的理論，萬事萬物都有相通之道，這也算是物理的魅力所在吧！

自 序

沒有物理，我們就無法認清這個世界。

做為一個理科生，又是以寫作見長的女生，對物理有一種天生的好感。

在小時候，當聽到旁人唸出一大段數字時，我的大腦會立刻開啟「快速運算」功能，當然，這說明我的數學能力很強。

數學和物理是緊密相連的，因為物理天才們少不得運用公式推導結論。

歷史上有名的大物理學家都是數學天才，比如牛頓就是微積分狂人，他創立的數學運演算法足足影響了歐洲一個世紀；又比如大數學家歐拉，他創作了無數數學法則，所以玩物理就跟玩票似的，推導出幾個物理學原理不在話下。

因此就不難理解，為何很多人物理不行，連帶著數學也成問題了。然而，在寫這本書之前，我忽然想起了小時候父親對我的啟蒙。

當時父親給我買了一套書，書名叫《十萬個為什麼》，內容當然沒有十萬個問題，而是只有幾百個，但卻是我童年的精神食糧。

書中會解釋很多自然現象：太陽為什麼會發光？拋出去的物體為什麼會落回地面？鳥為什麼會飛？鏡子為什麼會照出畫面……

當時我讀得津津有味，覺得地球上充滿了神奇，而宇宙中則滿是奧祕。

事實上，沒有一個孩子在小時候腦子裡沒有「十萬個為什麼」，他們探索知識的慾望從不停歇。

有了這套書後，我的視野開闊了很多，也成為學生當中的「小學問家」，這讓我頗感自豪。

後來才知道，原來我所讀到的，正是物理學知識，而長期在學校被枯燥的文字和公式搞得頭暈腦脹的我們，卻已忘了原來物理是個這麼有趣的一門學問！

於是，我決定從最基礎的物理學講起，讓大家能領悟到：原來生活中處處有物理，原來我們一刻也離不開物理。

若無物理，我們就不知我們從何而來，在做什麼，該到哪裡去。

物理是我們人生的一門基礎哲學，有助於培植我們的宇宙觀，而哲學家和思想家則認為，宇宙觀是一個人思想的最高境界。

從這點上說，文理其實是相通的。

宇宙再大，也是由分子、原子，甚至更小的粒子組成的，所以宏觀世界和微觀世界，說到底也是相通的。

物理是人們工作、生活的基礎工具，也是改造社會的有力武器，沒有物理，就沒有人類的進步，就沒有人類文明。

最簡單地說，沒有物理，人們就無法認清這個世界，就容易成為井底之蛙。

任何時候，觀念上的更新總沒有錯，只有不斷地兼容並蓄，才能幫助一個人成為更好的自己。

前 言 物理是一塊永遠在吸水的海綿

十九世紀末，德國一個名叫普朗克的小伙子要考物理系，後來成為他導師的教授連連搖頭：「小伙子，別誤入歧途啊！物理已經被人研究透徹了，你進去只能是拾人牙慧！」

一句話差點讓一個物理學天才放棄理想，幸好普朗克沒有妥協，終於發現了量子力學。

這說明在很多時候，我們以為的，只是自以為是而已。

還是拉塞福說得好，我們每個人都只是地球上孤陋寡聞的人，所見所想都是片面的，因而也沒有資格去評判，去武斷地下結論。

其實在物理學之初，這種武斷就一直存在。

在古希臘，出了兩個著名的物理...

第一章 力學之美

1、最早的靜力學著作——《墨經》中的樸素原理.................... 14
2、盲目崇拜地球的古人——天圓地方的初級宇宙觀.................. 18
3、興盛兩千年的物理學權威——錯誤百出的亞里斯多德.............. 22
4、拯救了一個國家的發明——槓桿原理與阿基米德.................. 26
5、發現滑輪用途的天才——達文西與第一張飛機草圖................ 30
6、臨終前的勇敢呼喊——哥白尼與日心說.......................... 34
7、真理在烈火中永生——寧死捍衛真理的布魯諾.................... 38
8、「出軌」的火星——克卜勒與三大運動定理...................... 42
9、兩個鐵球同時落地——首次發現自由落體的伽利略................ 46
10、一顆蘋果砸出的巨人——發現萬有引力的牛頓................... 50
11、惠更斯的鐘擺之謎——重力加速度的驗證....................... 54
12、固執的月球——分析力學創始人拉格朗日....................... 58
13、月臺上的音樂家——都卜勒效應的出現......................... 62
14、經典物理學的偉大轉折——愛因斯坦與狹義相對論............... 65
15、一篇荒誕論文引發的奇蹟——量子力學的產生................... 68
16、洗澡洗出來的靈感——浮力定律............................... 72
17、比薩斜塔的不倒之謎——重力原理............................. 75
18、怎樣使炮彈飛離地球——挑戰萬有引力的宇宙速度............... 79
19、莫名消失的十九噸魚——引力的緯度變化....................... 82
20、駿馬拉不開的空心銅球——馬德堡半球實驗..................... 85
21、拯救舜的意外之「傘」——阻力的作用......................... 89
22、救命的藤蔓——高空彈跳運動的古老傳說....................... 93
23、不敲自鳴的鐘——神奇的共振現象............................. 96
24、徒手抓子彈的飛行員——參照物的概念......................... 99
25、人類第一次真正的太空行走——立功的慣性定理................ 102
26、能偷襲敵軍的機械「海龜」——布希內爾與潛水艇.............. 105
27、擊毀飛機的「憤怒鳥」——動能原理.......................... 109
28、不按規矩出牌的水星——廣義相對論的合理解答...............

第兩章　電磁學之奇
29、總是擦不乾淨的琥珀——靜電的由來.......................... 118
30、指南針的發明——產自東方的司南............................ 123
31、閃電下的瘋狂舉動——富蘭克林與避雷針...................... 126
32、電磁學的第一個基本定理——庫侖定律........................ 130
33、課堂上的意外收穫——奧斯特與電流磁效應.................... 133
34、差點崩潰的物理天才——歐姆定律的艱難公布.................. 137
35、僅用一週發現的驚世理論——安培定律........................ 141
36、絕對零度下的神奇現象——昂內斯與超導體.................... 145
37、屢遭質疑的偉大學者——焦耳與焦耳定律...................... 149
38、用實驗法證明電子存在的第一人——湯姆遜.................... 153
39、電流磁效應的反向定理——法拉第的電磁效應.................. 156
40、讓美國人自豪的物理學家——自感現象發現者亨利.............. 160
41、無線電事業的奠基人——證實電磁波存在的赫茲................ 164
42、第一部有聲電影的誕生——聲音與電能的奇妙碰撞.............. 168
43、一則童話引出的發明——電子門鈴的誕生...................... 172
44、會「咬人」的電——正確防止觸電之法........................ 175

第三章　光學與聲學之秀
45、中國古代第一個大型光學實驗——趙友欽與小孔成像............ 180
46、「妻管嚴」的時尚發明——光的反射原理...................... 184
47、精於計算的司乃耳——折射定律的發現........................ 188
48、一不高興就搞出大動靜——湯瑪斯．楊與光的波動理論.......... 191
49、能穿透骨骼的恐怖光線——發現X 射線的倫琴.................. 195
50、X 射線的突發奇想——康普頓效應............................ 199
51、三頁紙誕生的學術神話——光子假說奠基人普朗克.............. 203
52、發現真兇的紅油傘——光的過濾.............................. 207
53、延遲了四十年的重大發現——光的干涉原理.................... 210
54、羅馬皇帝的殘暴任務——第一副近視眼鏡的由來................ 214
55、孩子們的意外發現——望遠鏡發展史.......................... 218
56、不務正業的門衛——世界第一台顯微鏡的發明.................. 222
57、牛頓的失誤——不同物質折射率的差異........................ 226
58、化險為夷的哨兵——聲音的傳播.............................. 230
59、鐵達尼號的慘痛教訓——關於聲波反射的研究.................. 233
60、自抽嘴巴的打鐵匠——建築上的「竊聽器」.................... 236
61、金屬的「哭泣」——聲音發射現象............................ 240
62、聲音中的「長跑健將」——可怕又可愛的次聲波................ 243
63、出奇制敵的聲音炸彈——由廢變寶的噪音...................... 247
64、抓住綁架犯的聲紋——聲音也有「身分證」.................... 251

第四章　原子物理學之精
65、亦敵亦友的啟蒙者——玻爾的原子結構假說.................... 256
66、最早打開放射性大門的人——貝克勒.......................... 260
67、頒錯諾貝爾獎的物理學家——拉塞福與原子核式模型............ 264
68、具有批判精神的查兌克——質子和中子的發現.................. 267
69、騙取諾貝爾獎的密立根——電子電量的首度亮相................ 271
70、全球第一個核反應爐的誕生——引發核裂變的中子.............. 275
71、冷戰的產物——威力大於原子彈的氫彈........................ 279
72、幸運的諾貝爾獎得主——正電子的發現者安德森................ 283
73、原子核內的無窮世界——夸克模型理論........................ 286
74、讓皇帝遭受天譴的流星——等離子現象........................ 290
75、「庫利南」的硬度解密——原子結構的變化.................... 293
76、「掃把星」的由來——揭開太陽風的神祕面紗.................. 297
77、「西班牙流感」引發的恐慌——致命的太陽黑子................ 301
78、帶來好運的硬幣——神奇的分子力............................ 305

第五章　物理學家之趣

79、借賭消愁的倒楣專家——統計物理學先驅卡爾達諾.............. 310
80、恐怖的宇宙滅亡論——晚節不保的克勞修斯.................... 313
81、物理學史上的災難——牛頓與萊布尼茲的微積分之爭............ 318
82、只上過兩年學的大師——自學成才的法拉第.................... 322
83、從太陽上挖到金子的物理學家——克希荷夫.................... 326
84、分秒必爭的獨眼巨人——流體力學鼻祖歐拉.................... 330
85、一場痛徹心扉的感悟——處在事業和愛情得失之間的冷次........ 334
86、他讓世界為之動容——新時代的導師勞侖茲.................... 338
87、偉大人物也有陰暗面——詆毀交流電的愛迪生.................. 341
88、伯樂也有看走眼的時候——自責的昂內斯...................... 345
89、從戲劇演員到大學教授——無私奉獻的亨利.................... 349
90、海王星的發現——相互謙讓的勒威耶和亞當斯.................. 352
91、一百年前的驚人預言——「隱者」卡文迪許.................... 356
92、他是所有人的噩夢——「毒舌」包立.......................... 359
93、幸運女神的寵兒——在洪水中出生的塞曼...................... 363
94、敢與老師作對的頑皮學生——叛逆的玻爾...................... 367
95、人生的三個導師——有貴人緣的馬克士威...................... 372
96、差點不及格的物理學之父——發現陰影中有亮斑的菲涅耳........ 376
97、輪椅上的巨人——身殘志堅的霍金............................ 380
98、被當成騙子的物理學家——抑鬱的費曼........................ 383
99、為事業做一世負心人——兩彈一星功臣鄧稼先.................. 387
100、受益終生的師生緣——「中國的居里夫人」吳健雄............. 391

第一章 力學之美

1、最早的靜力學著作——《墨經》中的樸素原理.................... 14
2、盲目崇拜地球的古人——天圓地方的初級宇宙觀.................. 18
3、興盛兩千年的物理學權威——錯誤百出的亞里斯多德.............. 22
4、拯救了一個國家的發明——槓桿原理與阿基米德.................. 26
5、發現滑輪用途的天才——達文西與第一張飛機草圖................ 30
6、臨終前的勇敢呼喊——哥白尼與日心說.......................... 34
7、真理在烈火中永生——寧死捍衛真理的布魯諾.................... 38
8、「...