用塗鴉學物理：從 51 張手繪理解 2600 年重要物理大發現

從泰利斯三角測量、牛頓萬有引力定律，到愛因斯坦相對論，
用小塗鴉畫出物理學最深奧的大原理，讓你一看就懂！
 
專文介紹
香港大學理學院講師、科學專欄作家　余海峯

好讀推薦
　　師大附中物理科教師　陳忠城
　　師大附中化學科教師　陳昭錦
國立中興大學物理系教授　陳惠玉

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

阿基米德臨死前，曾喝斥羅馬士兵「離他的手繪遠一點」；
除了蒙娜麗莎的微笑，達文西留下的地球照與神聖比例圖稿，對後世影響更大；
牛頓在三一學院步道留下的光折射塗鴉，同事經過都得小心繞道。

能啟發問題、統整結論的好塗鴉，就像一句好格言：精煉，值得被永久記錄。


自古以來，人類一直試圖理解物理世界。亞里斯多德有他的觀點（天體界是完美的），愛因斯坦也有他的不同觀點（所有運動都是相對論式的）。而這些五花八門的理解往往都是從塗鴉開始的，在使用數學等式之前，畫出對實在界的想像。這些塗鴉雖然微不足道，卻是物理學家很有效的工具，也是數百年來傳統的思考、教學和學習輔助。本書用許多小插圖，深入簡出地解釋物理的 51 個重要觀念，鋪陳出近三千年的物理學史。

科普作家唐．雷蒙斯依據年代順序展開物理學史，從泰利斯的三角測量法，達文西的地球照，克卜勒的行星運行定律，畢達哥拉斯的單弦琴，阿基米德的槓桿原理，牛頓擺，一直到20-21世紀解釋光電效應，氫原子，廣義相對論，地球溫室效應，希格斯玻色子的發現等等。作者把這些發現放入歷史脈絡，例如討論伽利略和教廷的衝突，或電磁現象的發現和華茲華斯的浪漫主義詩作之關連，以及二次大戰對於愛因斯坦相對論的影響；也佐以科學家的個人趣聞軼事，使得生動有趣的物理課躍然紙上。讀者僅需很基本的數學和物理背景知識，就可以跟著「用塗鴉學物理」暢遊物理史世界。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

媒體讚譽

本書的 51 個塗鴉已幾乎涵蓋所有已知的物理概念。如果我們需要理解某個自然現象，揭開本書，你必定可以找到適合的理論去幫助思考。
────余海峯，香港大學理學院講師、科學專欄作家

拜愛因斯坦、馬克士威這些超級天才所賜，十九、二十世紀的物理知識益發複雜到快超出人類理解的極限，但本書依舊保留了物理學清晰、迷人的本質。
────《華爾街日報》（Wall Street Journal）

除了老師必備，即便門外漢也能透過這本《用塗鴉學物理》增長物理知識，理解科學思考的歷史。
────《懷疑探索者》雜誌（Skeptical Inquirer）

簡潔動人的黑白塗鴉，明快地描繪了幾千年來的著名發現……對那些想了解更多物理學歷史的人來說，拿這本書當起點再完美不過了
────《今日物理》雜誌（Physics Today）

太出色了！只用51張令人難忘的塗鴉，就能從畢達哥拉斯到希格斯玻色子，呈現一學年物理學的最精華。
────魯本．赫希（Reuben Hersh），1983 年美國國家圖書獎科學類得主

這計畫太棒了！科學書通常都只附上一些輔助說明的線條圖，但唐．雷蒙斯扭轉了這樣的過程：開頭先選出一幅鮮明的塗鴉，再配上解釋文字。而他的文字不僅僅如此，他更補充了科學史知識，糾正普遍的錯誤觀念，更揭露奇事軼聞，及潛藏其間的知識關聯性。簡言之，他是以文字充實圖像內容。
────漢斯．克里斯蒂安．馮．貝耶爾（Hans Christian von Baeyer），威廉瑪麗學院物理學名譽教授，《量子貝氏主義》（QBism: The Future of Quantum Physics）作者

唐．雷蒙斯明快的《用塗鴉學物理》用簡單的圖像作輔助，帶我們從赫拉克利特到希格斯，從行星到粒子物理，從天文到原子，探索科學史中一連串被忽略的文化製品。受用，精確，易讀。這本書無與倫比。
────羅伯特．希爾伯恩（Robert C. Hilborn），美國物理教師協會執行長，《混沌現象與非線性動力學》（Chaos and Nonlinear Dynamics: An Introduction for Scientists and Engineer）作者

唐．雷蒙斯Don S. Lemons
美國堪薩斯州北紐頓伯特利學院（Bethel College in North Newton, Kansas）物理學榮譽教授。熱衷於物理知識普及工作，著有《物理隨機過程入門》（An Introduction to Stochastic Processes in Physics, 2002）、《熵指南》（A Student's Guide to Entropy, 2013）、《因次分析指南》（A Student's Guide to Dimensional Analysis, 2017）等科普作品。本書插圖繪製者為 Jesse Graber。



譯者：王文生

清華大學物理系畢業。名字得自家裡一位德高望重的長輩，意思是要「生而學文」，但大學還是讀了理科。畢業之後沒有成為物理學家，反而跑去做翻譯，想來也是一種緣分吧。

從《用塗鴉學物理》回顧了 2600 年來的物理發展史，展示了何謂「發現的邏輯」與「演繹的邏輯」。它們有時能互相參照，有時卻完全是兩回事。比方說能量守恆的觀念，我們都是先學習何謂能量，才進一步了解能量是一種守恆量，乍看之下，這個演繹的邏輯沒什麼問題。但在歷史上，科學家卻先透過實驗發現一種守恆量，再把它定義為能量，最後才知道能量到底是什麼──先有能量守恆，才有了能量，這是發現的邏輯。從這個小例子，我們得以一窺兩種邏輯的差異。

用發現的邏輯反思學習物理的過程，也許會是一件相當有趣的事情。

推薦序
 
香港大學理學院講師、科學專欄作家　余海峯

自人類演化至懂得書寫以來，塗鴉一直是最直觀的表達方式。最早期的文字，想必都是塗鴉。象形文字雖然筆畫繁複，但卻能夠表達豐富內容。使用中文的我們可能不會察覺，但根據我一些不會中文的朋友所說，書寫中文在他們眼中就好像繪畫一樣。我卻想，或者可能更接近於塗鴉？

人類的眼睛只能看見二維世界，即是平面的事物。為什麼？當然，空間是三維的，即是立體的。但當光線進入眼睛、投影在視網膜之上時，立體空間就被簡化為一幅平面圖像了。

為什麼我們能夠看見立體的空間？這就是我們擁有兩隻眼睛的原因。試試把一隻眼閉上，你會發現距離感消失了。這是因為兩隻眼睛看見的平面圖像有些許不同，腦袋分析這種微細差異就能夠轉化為立體資訊。這叫做「視差」，是現代天文學家計算恆星距離的方法，而我們的腦袋竟然能夠省略繁複的數學計算，在我們打開雙眼的同時就把資訊立即處理好，直接呈現在我們「眼前」！

有些人是利用視覺進行思考或者計算的。物理學家費曼就曾在（朋友替他筆錄的）自傳中指出，有些人可以利用「視覺」計時，發現自己能夠邊在心中計時、邊做其他事情。可是，費曼是以在腦海中響起的「聲音」來計時的，他發現有時候做其他事情會影響到計時結果（筆者就是這種人）。此外費曼還發現，他有個朋友能夠邊談話邊計時！原來，他的朋友計時的時候眼前會「顯示」數字，而這些數字會像電子時鐘一樣跳動。另一方面，費曼亦發現自己所寫的方程式之中，不同的變數竟然「帶有」不同的顏色。雖然他自己也不知道為什麼，但想必這對他思考物理有某種間接幫助吧。

我們來看看一幅圖表。這是筆者繪製、本書中介紹的各個物理塗鴉和概念以年分顯示的棒狀圖，一種糅合塗鴉與數學的圖像，攜帶可供分析的資訊。基本的塗鴉可以幫助我們在腦海形成物理概念，而進一步分析物理現象則要仰賴圖表。如果塗鴉是與生俱來的天賦，那繪製圖表就是需要透過科學訓練獲得的技能。

這幅圖表可以告訴我們書中每個故事發生的時間。我們可以直接看出，近代（約 16、17 世紀以後）重要的物理概念數量遠超過公元元年之前。另一個十分顯眼的地方，在於從公元前 200 年左右直到公元後 1500 年的 1,700 年間，只有三項重要物理概念被發現並留傳下來。

如果說近代科學加速發展是意料中事，那麼這接近空白的一千多年又是怎麼回事？以科學的語言去說，這很可能顯示了一些外在因素造成的影響。以西方科學來說，這段期間歐洲被宗教所控制，科學的緩慢進步甚至倒退與此有莫大關係。

圖表告訴我們某些片段的資訊，就像是大自然向我們提出的挑戰：試著把案情重組起來吧！科學家的任務就是解開這些謎團，揭露大自然的奧祕。當然，我們並不需要把所有資訊都以圖表方式顯示。不過，人類天生就十分擅長自塗鴉和圖表中抽取有用的資訊，至少比列出一大串文字和數字擅長得多。這可能就是基於人類塗鴉的本能。

當然，本書列出的並非所有科學發現。不過，這 51 個塗鴉已幾乎涵蓋所有已知的物理概念。如果我們需要理解某個自然現象，揭開本書，你必定可以找到適合的理論去幫助思考。

塗鴉能夠幫助我們思考，也是科學概念發展的第一步，而這能力很可能是人類與生俱來的。本書適合擁有不同知識背景的讀者之處，正在於作者把科學以塗鴉方式呈現，無需深入研究其中需要數學的地方。每個塗鴉輔以歷史故事，隨時間推進，我們亦可以看到物理學發展的基本面貌。其中一些故事和塗鴉對筆者來說亦是新事物、新知識。這樣，不就是一本值得讀的書了嗎？

如果說，書中每多一道方程，樂趣就減半的話，每多一幅塗鴉，樂趣應該就會加倍吧？

相信每個人都可以從本書中得到樂趣。

推薦序　余海峯
前言       
致謝   
    
古典時期      
1 三角測量（600 B.C.E.） 
2 畢達哥拉斯單弦琴（500 B.C.E.） 
3 月相的盈虧（448 B.C.E.）     
4 恩培多克勒發現空氣（450 B.C.E.）     
5 亞里斯多德的宇宙觀（350 B.C.E.）     
6 地球和日月之間的相對距離（280 B.C.E.） 
7 阿幾米德的天平（250 B.C.E.）     
8 阿幾米德原理（250 B.C.E.） 
9 地球的大小（225 B.C.E.）   
  
中世紀  
10. 費羅佛納斯的自由落體研究（550）  
11 「看見」的光學（1020）     
12 奧雷姆三角（1360）     
13 達文西與地球照（1510）  
   
近世時期      
14 哥白尼的宇宙（1543） 
15 永恆運動的不可能性（1586）     
16 司乃耳定律（1621）     
17 月球上的山脈（1610） 
18 木星的衛星（1610）     
19 克卜勒行星三大運動定律（1620）     
20 伽利略的自由落體研究（1638） 
21 伽利略的拋體運動研究（1638） 
22 縮放與相似（1638）     
23 大氣的重量（1644）     
24 波以耳定律（1662）     
25 牛頓的色彩理論（1666）     
26 自由體圖（1687） 
27 牛頓擺（1687）     
28 牛頓與拋物線（1687） 
29 惠更斯原理（1690）     
30 伯努利原理（1733）     
31 靜電學（1785）  
   
十九世紀      
32 楊氏雙狹縫實驗（1801）     
33 厄斯特的演示實驗（1820） 
34 卡諾最簡熱機（1836） 
35 焦耳的實驗器材（1847）     
36 法拉第的力線（1852） 
37 馬克士威的電磁波（1865） 

二十世紀以降      
38 光電效應（1905） 
39 布朗運動（1905） 
40 拉塞福的金箔實驗（1910） 
41  X光與晶體（1912）   
42 波耳的氫原子（1913） 
43 廣義相對論（1915）     
44 康普頓散射（1923）     
45 物質波（1924）     
46 擴張的宇宙（1927-1929）    
47 微中子與能量守恆（1930） 
48 中子的發現（1932）     
49 核分裂與核融合（1942）     
50 全球溫室效應（1988） 
51 希格斯玻色子（2012） 

後記       
參考書目