我在MIT燃烧物理魂

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原文作者: Walter Lewin, Warren Goldstein
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具体描述

  华尔达.卢文(Walter Lewin),当代顶尖的天文物理学家,在美国麻省理工学院(MIT)任教逾三十年,发表科学论文超过450篇。但花去他最多心力的,却是开设在大学部的三门基础物理课。

  「我一直尝试将物理活生生地呈现在学生面前……帮他们用不同的角度看这世界……这也是本书的用意:帮你开启双眼,让你看到物理是以多么特别的方式支配着这世界,也让你见识到物理本身令人赞叹的优雅与美丽!」

  他把自己的身体当成实验器材,而上课,则经常像魔术表演或玩命的特技,「毕竟,科学需要有人做点牺牲。」这是他的口头禅。

  例如在教室里变出一片蓝天及一朵白云;教你在自家做出一道彩虹,并且把它握在手上;或者在课堂上对着两个油漆罐开枪,结果装满水的那罐炸了开来,九分满的却没有,目的是跟学生证明,水是无法压缩的,但是空气可以;甚至将自己充电到三十万伏特,让头发全都竖立起来,然后告诉学生:高电压本身并不会致命,关键是穿过你身体的电流有多少……

  「物理是对的!」他大叫。

作者简介

华尔达.卢文(Walter Lewin)

  在荷兰出生、长大,1965年于德夫特理工大学(University of Technology in Deft)拿到物理博士学位。1966年他到麻省理工学院担任博士后研究员,同一年成为助理教授,并在1974年升任正教授。他是杰出的天文物理学家,是X射线天文学的先驱,已发表的科学论文超过450篇。

  三十多年来,卢文在MIT教授三门物理学核心课程,由于非常受欢迎,因此还被拍成影片放到MIT开放课程(OpenCourseWare)、YouTube、iTunes U及Academic Earth上,点阅率极高──每年都超过一百万人次。包括《纽约时报》《波士顿环球报》《国际先驱论坛报》等着名媒体,都曾报导他这些课程获得的高评价。

  他的学术荣誉与获得的奖项包括NASA杰出科学成就奖(1978)、亚历山大.范.洪堡奖、古根汉基金奖(1984)、MIT科学委员会的杰出大学部教学奖(1984)、MIT物理系的布奇纳(W. Buechner)奖(1988)、NASA的团队成就奖(1997)(因为发现了爆发脉冲星),以及奖励杰出大学部教学的贝克奖(Everett Moore Baker Award)(2003)。1993年,他成为皇家荷兰人文与科学研究院的通讯院士,以及美国物理学会的院士。

沃伦.高斯坦(Warren Goldstein)

  哈特弗大学历史系教授兼系主任,曾因学术创新而获颁班特奖(James E. and Frances W. Bent Award)(2006)。

  他对物理一直都非常感兴趣。同时,他也是多产而且获奖无数的历史学家、评论作家、记者及演说者。作品包括Playing for Keeps: A History of Early Baseball及评价很高的传记William Sloane Coffin, Jr.: A Holy Impatience;其他关于历史、教育、宗教、政治及运动的评论文章则散见《纽约时报》《华盛顿邮报》《高等教育纪事报》等报刊。

译者简介

蔡承志

  毕业于台大物理系。英国爱丁堡大学数学博士。目前为马偕医学院全人教育中心副教授。着有《逻辑学的故事》《逻辑学入门》(与林照田教授合着);译有《学微积分,也学人生》《超高效心智图学习法》《数学马戏团》《语言与真实》等。

好的,这是一份关于《火焰的秘密:从微观到宏观的燃烧现象解析》的图书简介。 《火焰的秘密:从微观到宏观的燃烧现象解析》 作者: [此处留空,或填写虚构作者名] 出版社: [此处留空,或填写虚构出版社名] --- 导言:世界的火焰与我们的理解 火焰,这种人类文明发展史中不可或缺的现象,既是温暖的源泉,也是毁灭的象征。从远古钻木取火的惊喜,到现代工业精确控制的燃烧过程,火焰始终以其变幻莫测的形态和强大的能量释放,吸引着科学家们的目光。然而,要真正理解火焰,需要的不仅仅是观察,更需要深入到物质、能量和化学反应的微观世界。 《火焰的秘密:从微观到宏观的燃烧现象解析》是一部旨在系统梳理和深度解析现代燃烧科学的专著。本书不满足于对火焰现象的表面描述,而是力图构建一个从分子动力学到工程应用的完整知识体系,带领读者穿越火焰的“黑色幕布”,直达其核心的物理与化学本质。 本书的独特之处在于其内容的广度和深度并重,结构严谨,逻辑清晰。它不仅面向专业的燃烧工程师、化学家和材料科学家,同时也对对物理学、化学以及能源科学抱有浓厚兴趣的读者开放。 --- 第一部分:燃烧的基础物理与化学 本部分是全书的理论基石,重点在于构建理解火焰所需的基础框架。 第一章:燃烧的热力学基础 燃烧反应本质上是一种剧烈的放热过程。本章首先回顾了化学热力学的基本原理,包括吉布斯自由能、平衡常数以及反应焓。我们深入探讨了如何利用这些工具来预测一个反应体系在给定条件下是否会发生燃烧,以及燃烧释放的总能量潜力。重点分析了燃料与氧化剂混合物的化学势和反应路径的自发性。 第二章:反应动力学与链式反应 火焰的核心在于高速的化学转化。本章将焦点转向反应速率。我们详细介绍了单步反应和复杂多步反应的动力学描述,特别是针对气相燃烧中至关重要的自由基链式反应。通过对链增长、链转移和链终止步骤的分析,读者将理解为什么某些反应(如氢气-氧气反应)会表现出奇特的“滞燃”现象和爆炸极限。 第三章:物质的输运现象 火焰的传播和稳定依赖于能量和物质的有效输运。本章阐述了扩散、热传导和对流在燃烧过程中的关键作用。我们引入了菲克定律和傅里叶定律,并探讨了如何在燃烧反应区中同时考虑化学反应和输运过程的耦合,为后续讨论火焰结构打下基础。 --- 第二部分:火焰结构与传播的微观机理 在理解了基础理论后,本书将深入探讨火焰的实际形态——火焰面。 第四章:层流火焰的结构分析 理想化的层流火焰模型是分析复杂燃烧现象的起点。本章详细解析了稳态层流预混火焰的结构,包括温度剖面、组分浓度梯度以及反应速率分布。我们引入了火焰传播速度的精确定义,并阐述了祖贝尔(Zeldovich-von Neumann-Döring,ZND)模型在解释爆轰波结构中的应用,揭示了反应区与激波的相互作用。 第五章:扩散火焰的形成与特征 与预混火焰不同,扩散火焰(如蜡烛燃烧)中燃料与氧化剂的混合是速率控制因素。本章着重分析了扩散火焰的结构,特别是“灰烬带”的形成。我们探讨了利布里希-波斯纳(Liouville-Bussard-Postel)火焰的经典模型,并讨论了表面张力、毛细作用在液态燃料扩散燃烧中的影响。 第六章:自由基化学与污染物生成 火焰的“副产品”决定了其环境影响。本章深入探究了在高温高压燃烧条件下,氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)以及未燃碳氢化合物(UHCs)的生成机理。我们特别关注了热力学NOx(Zeldovich机理)和燃料型NOx的竞争关系,并讨论了如何通过优化燃烧条件来抑制有害污染物的生成。 --- 第三部分:宏观燃烧现象与工程应用 理论分析为我们提供了工具,本部分则将这些工具应用于实际的工程挑战。 第七章:湍流燃烧的复杂性 现实世界中的火焰大多是湍流的。湍流的引入极大地改变了火焰的传播模式、混合效率和稳定性。本章系统介绍了湍流燃烧的数学描述,包括雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的应用。我们重点分析了火焰厚度与湍流涡旋尺度的相互作用,阐述了火焰褶皱、卷吸和再点火过程。 第八章:燃烧的稳定与熄火极限 火焰的稳定是任何燃烧设备安全运行的关键。本章探讨了火焰稳定性的物理基础,包括火焰与边界(如燃烧室壁面)的相互作用。我们详细分析了各种熄火判据,如热损失率、最小点火能以及火焰的最小传播速度,并对比了旋流器、预混腔等稳定技术的工作原理。 第九章:特种燃烧模式:爆轰、超音速燃烧与微重力 超越了常规的亚音速燃烧,本章介绍了极端条件下的燃烧现象。我们深入解析了爆轰波的驱动机制,包括其自激振荡和多维传播的特性。此外,还探讨了在微重力环境下(如太空环境)缺乏自然对流时,火焰如何仅仅依靠化学扩散和辐射进行传播的独特行为,这对于空间探测和深空推进系统设计至关重要。 第十章:先进燃烧诊断技术 要理解火焰,必须能够测量它。本章回顾了现代燃烧科学中使用的核心诊断工具。内容涵盖了光学方法(如激光诱导荧光、拉曼散射、皮秒瞬态吸收光谱)在测量温度和组分浓度方面的应用,以及采样探针和质谱技术在分析复杂化学物种方面的优势。重点讨论了如何利用这些工具来验证和校准理论模型。 --- 结语:面向未来的燃烧科学 本书的最后,我们展望了燃烧科学的未来方向,包括对低碳燃料(如氢气、氨气)燃烧特性的深入研究、燃烧过程中的电磁场耦合效应,以及如何将人工智能与高保真模拟技术(如直接数值模拟,DNS)结合,以期实现对复杂燃烧系统的完全预测和控制。 《火焰的秘密》致力于提供一个全面、深入且极具洞察力的视角,揭示火焰这一基本自然现象背后蕴含的深奥科学原理,并指导我们如何更安全、更高效、更清洁地利用这股改变了人类历史进程的强大力量。

著者信息

图书目录

图书序言

推荐序1

〈散发物理教学的热情〉

  如果以科普书的标准来评价这本书,它太物理了;如果以物理书籍的标准来评价这本书,它又太科普了!但是,如果你对自然界的奥妙存在着好奇,那就不必怀疑,这本书一定可以领你一窥堂奥。

  作者将其数十年来在美国顶尖学府──MIT教授物理的内容写成此书,让人翻阅书籍的时候,有着身历其境的临场感。看到动物骨骼与体型关系的篇章,我们彷彿在现场看到了那些动物化石;看到单摆摆动週期与摆锤重量关系的演示单元,我们彷彿看到顽皮而可怜的作者正抱着摆锤「盪秋千」;看到有关彩虹的描述,我们就恨不得老天爷赶紧下一场雨,让我们验证寻找彩虹的方法;看到作者小时候的际遇,我们又不禁由衷谴责军国主义的暴力与残忍!

  在台湾,尤其是高中教育,我们常常认为没有了数学,就很难将物理的美表达完整。有时候,看到物理演示教学,赞叹精彩画面之余,往往觉得很难将其涵盖的所有物理概念讲清楚,更别奢望将物理与人文做适度的连结了。但是,在《我在MIT 燃烧物理魂》这本书中,作者以其专业知识教授物理,可以不必用数学就将物理表演得生动逼真,也可以不必使用艰深的数学就将物理讲解得清清楚楚,遇到必要而繁杂的数学过程,他则保留到附录里,让有兴趣或有需要的人自己翻阅。最令人惊讶的,是他可以将历史的残酷以及他对家人(尤其是外婆)的思念与敬佩,融入物理教学中,传达给他的学生以及读者。

  看完此书,我们当可知道,生活中无处不是物理。

  事实上,物理无所不在,只怕我们不愿用心察觉。

  不知你身上现在是否带着偏振片?错过观察,就难以接近物理了。

王昭富(台中一中物理科教师)

推荐序2

〈你会更喜爱物理〉

  这是一本相当特别又引人入胜的物理科普书!

  不用复杂的公式及一堆看不懂的符号来呈现,而是以浅显易懂的文字、幽默有趣的叙述及流畅的文笔,适当地、丰富地提供从基本粒子到外太空相关的物理知识;让不具深厚背景知识的读者,对物理相关知识能有更进一步、更全面的认识,甚至因此喜爱或更喜爱物理。

朱正明(台北建国高中物理科教师)

前言

最懂解说技巧的物理导游

  身高188 公分,身材瘦长,穿着一件看起来像是工作服的蓝色棉质衬衫,袖子卷到手肘,下半身卡其裤搭配轻便的凉鞋与白袜,这位教授在演讲厅的讲台上大步地走过来、走过去,一面讲课,一面比手画脚。偶尔,他会突然在黑板及实验桌之间停下脚步,好强调某个重点。他面前的四百张座椅以一定的坡度往上升高,座位上的学生们偶尔会移动身体,但目光都锁定在这位教授身上。这画面给人的感觉,就彷彿有股强烈的能量正通过这位教授的身体,再四处散发开来。他额头很高,满头杂乱灰发配上一副眼镜,说话时带着不知是哪个欧洲国家的口音,让人忍不住想起电影《回到未来》里的那位布朗博士(Doc Brown)——来自另一个世界、性格强烈、有点疯狂的科学家兼发明家。

  但这里不是布朗博士的车库—— 这里是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,简称MIT),是全美国、甚至全世界最卓越的理工科大学,而在黑板前面上课的则是华尔达.卢文(Walter H. G. Lewin)教授。他停下脚步,转身面对学生。「各位,做测量时最重要、但却总是被每一本大学物理课本忽略的事,」他伸出双臂,十指张开,「就是测量的精确度。」他暂停片刻,往前走一步,让学生们有时间做点思考,然后继续说:「你所做的任何测量,如果你不知道它的精确度,那么那个测量就没有意义。」接着他的两手迅速分开,噼砍空气,以强调这点。另一次的暂停。

  「我再重复一次。我要你们今晚凌晨三点醒来时重听一次,」他用两手食指抵着自己的太阳穴,同时扭转手腕,彷彿要将这句话塞进他和大家的脑袋里,「你所做的任何测量,如果你不知道它的精确度,那么那次测量就完全没有意义。」学生们全神贯注地盯着他看。

  我们现在是在「物理8.01」——全世界最有名的普通物理课——的课堂上,这学期第一堂课才刚上了十一分钟。

  2007 年12 月,《纽约时报》在头版报导了卢文的故事,将他誉为MIT 的「网路明星」,并介绍他在「MIT 开放式课程」(MIT OpenCourseWare)、YouTube、iTunes U 以及「学术地球」(Academic Earth)等网站上提供的物理课程。卢文所开的物理课是MIT 第一批放到网路上的免费课程,它们也没有让MIT 失望,点阅率非常高。九十四堂课(合计三门课,加上七个独立单元)平均每天有三千人次阅览,一年下来的点阅人次高达百万。其中的许多次是比尔. 盖兹贡献的,根据他写给华尔达的信(透过邮局寄出的信而非电子邮件!),他已经看完编号8.01 的「古典力学」与8.02「电磁学」的所有课程,正打算继续看8.03的「振动与波」。

  卢文每天都收到来自世界各地、各年龄层的人写给他的电子邮件,「您改变了我的人生」是其中一个常见的信件主题。加州圣地牙哥一家花店的老板史帝夫这么写着:「我现在走路时,彷彿脚下装了弹簧,也懂得用物理的新眼睛来看这世界和人生。」穆罕默德,突尼西亚的一位工程预科学生则写道:「很不幸的,在我们国家这里,教授们和您很不一样,他们并没有在物理中看见任何的美,我因此活受许多罪。他们只希望我们学会如何解那些『必考题』,以便在考试中考出好成绩,他们的目光就是那么短浅。」一个已经在美国拿了几个硕士学位的伊朗人沙伊德也说:「我从来没有真正享受过人生,直到我上了您的课。卢文教授,您真的改变了我的人生。您的课值得十倍的学费,而且它让某些老师变成罪犯了——没把书教好是重罪哪!」还有印度的席德哈:「现在我可以在那些方程式之外感受到物理之美。您的学生们一定和我一样会永远记得您——您是一位非常非常棒的老师,您让人生和学习变得比我原先想像的有趣多了。」

  穆罕默德十分赞同地引述卢文在物理8.01 最后一堂课所说的话:「或许上过我的课之后,你们会永远记得物理也可以是非常有趣、非常美妙的,而且它就在我们身边的每个地方,无时无刻都在——只要你真正学会去看它,懂得欣赏它的美。」卢文的另一位粉丝玛乔蕾写着:「我只要一有空就上您的课;有时候一週五次。我欣赏而且佩服您的性格、您的幽默感,以及最重要的,您将事情变简单的功力。我在高中时很讨厌物理,但现在您让我爱上了它。」

  卢文每个礼拜都会收到数十封这样的信,而且一一回信。

  卢文在介绍令人惊奇的物理现象时,就像是从平凡中创造出神奇。他的祕诀是什么?「我把人们带回他们自己的世界,」他说,「也就是他们居住并且熟悉的世界,只不过他们还未曾像物理学家那样看这世界。如果我谈到水面的波,我就会叫他们在自家的浴缸里做些实验,让他们能亲身体验波动现象。他们也能亲身体验彩虹。这是我会爱上物理的原因之一:你可以解释任何事物和现象。那是一种很棒的经验——对他们来说,或对我来说,都是如此。我让他们爱上物理!当学生们非常投入时,有时候上课就像是在进行即兴表演。」

  他的即兴表演,可能是站到十六英尺高的梯子上,用一根以实验室里的管子接成、像蛇一样弯来弯去的长吸管,来吸地板上烧杯里的蔓越莓汁。或者,他可能冒着头部被重击的风险,让自己的头位于一颗极具破坏力的球形大铁锤的摆盪路径中,而那颗球只差几公釐就会撞上他的下巴。他也可能是拿来褔枪朝着两个装满水的油漆罐开枪,或是用一种称作范德格拉夫起电机(Vande Graaff generator)的大玩意儿——就像是科幻电影里,疯狂科学家的实验室会有的那种装置,将自己充电到三十万伏特,以至于他那原本就很乱的头发全都竖立起来。他把自己的身体当成实验器材,就如同他常说的:「毕竟,科学需要有人做点牺牲。」在某次示范中(就如本书封面所示),他把一颗铁球悬挂在从天花板垂下来的绳索末端(他称之为「单摆之母」),然后以极不舒服的姿势坐到铁球上,随着铁球前后摆动,同时请学生们齐声唸出摆动的次数,而这一切只是要证明,单摆在一定时间内摆动的次数与摆锤的重量无关。

  他的儿子伊曼纽(查克).卢文上过其中一些课,他如数家珍地说:「有一次他利用吸氦气来改变自己的嗓音。为了得到正确的结果(最困难的地方就是在细节),他几乎到了昏厥的地步。」卢文教授是位功力深厚的黑板艺术家,他可以狂放不羁地在黑板上画出各种几何图样、向量、图形、天文现象。他画虚线的方式让许多学生印象深刻,甚至为他制作了一部有趣的影片,名叫《华尔达.卢文最美妙的线》(Some of Walter Lewin’s Best Lines),里面全都是卢文上物理8.01 时,在各个黑板上画出的那些着名的虚线。

  能掌控整个课堂而且充满群众魅力的卢文,真的是非常古怪的人——举止怪异,一心只有物理。他的皮夹里随时都带着两块称为「偏光镜」的器材,所以他不需多做准备,就可以看出某些光(例如蓝天、彩虹,或是窗户的反光)是不是「偏振光」,而当时刚巧在他身边的人也可以看到这现象。

  而他那些蓝色工作服是怎么回事?原来那根本就不是工作服。那是卢文订做的高级棉布衫,完全根据他的指示制作。他每隔几年就会联络香港的一家裁缝店,一次订购十多件。左侧那个大口袋是设计用来装他的行事历。但口袋里没有保护笔袋。这位物理学家兼表演家兼老师是位很讲究细节的人,因此这倒是让人纳闷。而他为什么戴了一个不像任何大学教授会戴的怪异胸针:一个塑胶制的煎蛋?「有蛋在我的衬衫上,」他说,「总比在我脸上好吧!」

  还有,他左手那个很大的粉红色压克力戒指是干什么的?那个夹在衬衫上的银色东西又是什么?(大约在肚脐眼的高度,他上课时经常会偷偷往那里瞄。)

  每天早上更衣时,卢文有四十个戒指及三十五个胸针可以选择,还有几十个手镯和项鍊。他的品味特别,有许多五花八门的饰品(来自肯亚的串珠手鍊、由大块琥珀串成的项鍊,以及各款塑胶制的水果胸针)、古董(一个很沉重的银制土耳其手镯),或由设计师与艺术家设计的首饰,还有一些荒唐古怪到极点的东西(例如由甘草糖串成的项鍊)。「学生们开始注意这些东西,」他说,「所以我每堂课都穿戴不同的配件,尤其是在我跟那些孩子上课时。他们很喜欢我这么做。」

  那么,夹在衬衫上,看起来像特大号领带夹的银色东西到底是什么?原来是一支特别设计的表(一位艺术家朋友送他的礼物),表面上下颠倒,这样卢文就可以低头偷看,以掌握时间。

  有时候在别人看来,卢文似乎不知道在想什么,或许可说是个完全心不在焉的教授。但其实,他通常是非常专心地在思考物理的某个面向。正如他太太苏珊所回忆的:「我们去纽约的时候,通常是我开车。但最近我发现这张地图,州界的空白处都写满方程式。那是他上次要去演讲时写的——因为在车上很无聊。事实上,他随时都将物理挂在心上,一天二十四小时都和学生及学校在一起。」

  根据他多年的好友, 建筑史专家南西. 史蒂柏(Nancy Stieber)的说法,卢文最特别之处或许就是「他那和雷射一样强的兴趣。他似乎总是全心投入他要做的事,把世界的90%都从他心中消除掉。有这种雷射般的聚焦力,他可以把他认为不重要的东西都删去,全神贯注在一件事上,这就产生一种非常独特的『生活乐趣。』」

  卢文是个完美主义者,他对细节的要求几乎已到走火入魔的地步。他不只是世界顶级的物理老师,也是X 射线天文学的开拓者之一,他花了二十年的时间建造、测试并使用一些专门用来精确测量X 射线的超灵敏设备,来观察次原子(指此原子更小的空间或粒子)及天文现象。他施放巨大但非常纤弱的气球,让它们沿着大气层的最外围移动,借此发现许多奇特的天文现象,例如「X 射线爆源」(burster)。他和他的同行在这个领域所做的贡献,帮助科学界解开在巨大超新星爆炸中,恆星逐步走向死亡的奥祕过程,也协助证实了黑洞真的存在。

  他知道物理研究需要测试、测试,再测试。这不只解释了他为什么可以成为成功的天文物理学家,也说明了为什么他一方面能把牛顿定律的伟大阐释得那么清楚,另方面也能让你了解小提琴的弦为何会产生如此和谐的乐音,以及当你搭电梯时为何一下子感觉自己变重,一下子又变轻。

  为了准备一堂课,他总是会到空教室至少练习三次,第三次是在授课当天的早上五点钟。「他的课之所以成功,」天文物理学家大卫.普利(David Pooley),一位他从前教过,后来还和他一起授课的学生说,「关键在于他所投入的时间。」

  当MIT 物理系在2002 年提名卢文角逐一项竞争激烈的教学奖项时,他的许多同事都不约而同地强调他的这些特质。关于跟卢文学物理的经验,史帝分.立柏(Steven Leeb)给了一个相当令人玩味的描述(立柏现在是电机工程与资讯科学的教授,任职于MIT 电磁与电子系统实验室):「他充满热力地上到讲台,抓住我们的大脑,让我们马上进入电磁学的云霄飞车之旅。到现在我都还记得当初那种感觉!他是教室里的天才,足智多谋,总是能找到办法将物理概念解释得简单明了。」

  卢文的物理系同事罗伯特.荷西瑟(Robert Hulsizer)尝试把卢文在课堂上所做的一些示范实验录影下来,并剪辑精彩片段供其他大学参考。但他发现这项工作根本不可能完成。「这些示范实验完全与物理观念的开展交织在一起,包括准备工作及收场,所以示范实验没有明确的开始与结束。我的感觉是,华尔达的精彩表演,无法被切割成片段。」

  卢文将物理之美介绍给学生的做法让人感动,这是因为他让我们也感受到他对这世界所有奇妙现象的热爱。他儿子查克充满感激地回忆,他父亲一心想让他和他姊姊及弟妹们也有这样的热情。「他能让你看到一些东西,并且因为它们的美而大受震撼。他能把你心中的热情、惊奇及振奋全挑起来。我所说的是他为你打开一扇扇不可思议的小窗,而他就在它们中间,你会很高兴自己能活着,享受他的同在,享受他将要创造的事件。有一次我们到缅因州度假,那天天气很好,我们小孩子都待在外面,而且就像小孩平常那样开始觉得无聊。结果我父亲拿出一个小球,并随即发明一种奇怪的小游戏。接着,一分钟之内,隔壁家的小孩就过来加入我们,突然之间我们有四、五、六个小孩在抛球、接球而且笑声不断。我还记得当时我真的非常兴奋、非常开心。如果我回顾过去,是什么在我的人生中启发我,让我可以拥有那些全然开怀的时刻,让我能预见一个美好的人生可以是多么精彩,也让我了解人生能够装载多少的丰富?答案就是:这些都是从我父亲那里得到的。」

  卢文常会在冬天把他的小孩聚集起来玩一种游戏——测试纸飞机的空气动力学特性——把纸飞机射进客厅那个开放式大壁炉里。「让我母亲花容失色的是,」查克回忆说,「我们还会从火里把它们抢救出来..我们都还想在下一回合扳回一城呢!」

  当客人来家里吃晚饭时,卢文会带领所有小孩玩「登陆月球」游戏。查克记得:「我们把灯关掉,用拳头敲打桌面并发出类似擂鼓的声音,来模拟火箭发射时的那种噪音。有些小孩甚至会钻到桌子底下敲打桌子。等我们升上太空,动作就停下来,然后到登陆月球后,又全都在客厅走来走去,假装重力变得很小,并且跨着非常夸张的步伐。这时候客人们一定在想:『这些小鬼疯了!』但对我们小孩子来说,那好玩极了!登陆月球呢!」

  半个世纪之前,卢文第一次走进教室上课,从那时开始,他就一直带着学生们到月球去。他一直被自然世界的奥祕与美丽所吸引,从彩虹到中子星(neutron star),从老鼠的大腿骨到音乐的声音;他也着迷于科学家与艺术家阐释、说明及呈现这个世界的方式,卢文可说是当今世上最有热情、最有使命感、也最懂得解说技巧的科学导游之一,他矢志为大家导览这个世界。在接下来的各篇章里,当他揭露他一生对物理的热爱并且与你分享时,你一定能够体会到他的那种热情、使命感与技巧。

  好好享受这趟旅程吧!

沃伦.高斯坦(Warren Goldstein)

导论1

〈这真是教学的典范!〉

  看完这本书,深深感觉到物理学就是应该这样教!

  科学来自日常生活的观察,怎么可以脱离生活呢?古人观星象,想知道日月星辰运行的规则,所以有了「天文学」;智者观察大自然中万物的变化,所以有了「自然科学」与「社会科学」。科学是不可以与生活脱节的。台湾的科学教育始终无法生根,就是因为课本与生活脱钩,在实验室演算科学公式,回家则请人收惊喝符水。这本书从生活中常见的各种现象,用物理学的原理来解释它的成因,深入浅出,让人一看就懂。一本好的科普书不是要卖弄作者的知识,而是推广科学的真义,这本书完全达到了这个目的,是这么多年来难得一见的好书。

  例如作者用彩虹,把光的效应解释得非常清楚;他又解释弦乐和管乐的和声,使你下一次去国家音乐厅听演奏时,会感觉不同,因为你已经知道了它的原理;电和磁场那两章是每个人必读的,没有电,所有的文明享受都免谈,有人说,电是古今中外最伟大的发现,对于电,我们应该抱着崇敬、珍惜的态度。我很喜欢书中作者对每一个主题的讨论,科学和哲学是分不开的:一个好的科学家一定是好的哲学家,因为一切从思辨开始!

  至于磁场,正确的使用是无害的,看到作者在上电磁学的课时,把马克士威的电磁学方程式投影在MIT演讲厅的各面墙上,并且发送鲜花与学生一起庆祝这个人类文明重要的里程碑,就会不由自主的发出会心的微笑。马克士威也是我最景仰的科学家,但是我还从来没有想过这样做,作者实在太可爱了。

  在看本书时,不免会想,为什么我们没有这样热情的老师来带动学生学习的兴趣?我在念大学时,通识的课或入门的课都是讲师,甚至助教来上,大牌教授都不屑来教新鲜人,好像大材小用。其实这是很错误的,入门课才是最重要,讲得好会使本系的学生留下来,外系的学生转进来,一旦入门课倒胃口,其余的课就不爱上了。我们看到愈是有知识、有深度的教授,越是能深入浅出地把一门艰深的学问教到每个人都懂,不知MIT有无做过这个统计,看有多少人因为上过卢文教授的课而喜欢物理,甚至终身投入物理学的研究?

  作者的课能这么吸引人是因为他累积了三十年的教书经验,本身对物理有无穷的热情,深懂学习原理,知道要从学生每天可见的现象来着手,才能引发学生兴趣,他的教学方式是我们的典范!

  本书一开头,作者自述他为什么会到MIT来教书,我们都没想到原来欧洲学校报帐的方式跟台湾一样,是如此的繁琐:吃三明治的钱不可以与喝饮料的钱合在一起报,必须一张一张填写。一个有创意的科学家如何能容忍这种颟顸?他来到MIT访问,看美国的「信任」方式,就不再回荷兰去了。看到这一段,我心有戚戚焉,我是先享受了美国的「信任」,再回到台湾领教台湾报帐的痛苦。出国开会,连机票票根都不足以证明,还得影印护照的出入境页才行,让我了解作者愿意离乡背井,把一生的心力贡献到教育美国人的心情。不知荷兰政府有没有后悔他们的僵化会计制度赶跑了一个这么优秀的人才?

  这是一本很好的科普书,科学并不可怕,它是你生活的一部分,请好好享受这本书!

洪 兰(中央大学认知神经科学研究所所长)

导读2

〈和费曼不一样〉

  我最初知道华尔达.卢文这位美国麻省理工学院(MIT)教授是在2007年底。当时纽约时报以一篇名为〈71岁的物理教授成了网路明星〉的专文来介绍他,开头即说:「71岁的物理教授卢文,长久以来在MIT已有一群忠心粉丝;现在由于全球性网路课程的兴起,他变成了国际网际网路大师。卢文的物理课录影可以在网路上的MIT开放课程免费观赏,这使得他在世界各地都有了仰慕者。」其中又写到,开授MIT学生必修的物理课让他体认到:「真正重要的是让学生爱上物理、爱上科学。」

  我自己虽然是物理老师,平常也会注意网路上的资讯,但要是没有看到这篇报导,恐怕还不会知道这位物理名师。原因当然是卢文成名的网路课程是大学一、二年级的基础课程(包括1999年秋季的「普物力学」、2002年秋季的「电与磁」与2004年秋季的「振盪与波动」),这些课不会出现在我经常观看的网路演讲录影之列(我看的通常是较专业性的物理演讲)--每个人的时间都是有限的啊!去年卢文出版了这本书,方才引发我的好奇,真的花了些时间去瞧瞧这些叫座的课。一看就吓了一跳,因为太精彩了!他真的不是浪得虚名!

  他的课非常紧凑但顺畅,且有一些固定节奏:首先扼要地介绍基本概念,将公式清楚推导出来(不过对于某些较复杂的证明,他会让学生自己读课本自修),并将这些公式应用于具体的情境,且通常会算出某个带有误差值的物理量(例如垂直吊挂的唿拉圈的振盪週期),然后就是课程最吸引人的地方--以精心设计的示范实验来查验这些计算出的量。他非常重视误差,不时以例子教导如何估算误差,并强调不知道误差的测量是没有意义的。整堂课的最高潮也就是结束之时,在同学都亲眼看到实验果真验证了公式的预测之际,这时卢文就会激动地喊说:「多么了不起!在预测与实验的误差之内,物理是对的!」所以,卢文上课的特色就是以示范实验将生命贯注到冷冰的物理定律、公式之中。

  或许有人要问,卢文和另一位广为人知的明星物理教授费曼相比,在教学风格上有何异同?相同之处当然就是两人都能让人体会他们对物理的热爱,而其差异所突显的其实是两人在研究专业上的不同:费曼是理论学家,重视物理学整体结构,即物理知识之间的关连,他喜欢以自认最有意思的方式来决定教材,所以在大家极为欣赏的《费曼物理学讲义》中,无论就内容选择或顺序安排而论,都有令人惊喜的创意;反之,卢文是实验学家,他重视的是物理定律与实际现象的连结,所以喜欢在课堂上以实验来直接呈现物理定律如何精确描述了自然,他要告诉同学的是:物理不是数学,而是关于蓝天、白云、彩虹、雷电……等大家熟悉的大自然现象。费曼与卢文所强调的重点虽稍有不同,但都是学习物理的学生必须掌握的面向。

  卢文(他现在退休了)去年5月16日回到MIT原来的上课教室,做了一场名为「为了物理之爱」的演讲」(见MIT开放课程网站),我看了之后,对他的钦佩之心更提高了,因为我听到结束前有听众问:「你是怎么准备演讲的?花了多少时间?」他回答:「我要是告诉你,我的MIT同事会恨死我!」原来卢文平均要用上四十至六十小时,来准备一堂五十分钟的课。他说他在上课前两星期就会找时间对着空教室演练一遍,上课前一星期又演练一次,好将任何会拖长上课时间的因素都去掉,在上课当天早上五点,又会到空教室演练最后一遍!……真是令人又恨又钦佩的家伙啊!

高涌泉(台大物理系教授)

导读3

〈手握彩虹、耳听天籁,尽享物理之美!〉

  学物理的人都知道《自然哲学的数学原理》一书,这本书是牛顿在1686年完成的,书成之后,被誉为是「人类有史以来最伟大的智慧产物和心血结晶」,讲这话的人大概是学理工的。的确,这本书描述了宇宙中任何两个物体之间的交互作用,小至构成氢原子的质子和电子,大至我们包含两、三千亿颗恆星的银河和同样巨大的仙女座星系,彼此之间互相牵系拉扯的方式和结果,都在这本书中被具体描述。但说句老实话,这本书虽然如此重要,但读来却艰涩难懂,对文法商管的学生而言,只有书名是感人的,因为谈的是「大自然」的「哲学」。而这个「大自然」的「哲学」,就是今天的「物理」学!

  物理学试着解释自然界一切现象背后的道理和规律,因此和生活中的观察体验以及冥思遐想紧密结合,探索和研究的过程理应十分有趣,但「物理」却常常和「化学」及「数学」在比赛,看谁是第一个被中学生放弃的学科!这是怎么回事?一言以蔽之,学生在学习物理的过程中找不到「趣味」!

  MIT教授华尔达.卢文,将多年来的物理教学内容集结成书,出版了《我在MIT 燃烧物理魂》一书,内含运动学、力学、声学、光学、电学、磁学,以及他的天文本行:从极小的原子核谈到极大的中子星和黑洞,从克卜勒、牛顿,谈到爱因斯坦。书中的叙述轻松有趣,对各种物理现象娓娓道来,同时描述这些现象在生活上的实验或应用,读来逸趣横生、毫无压力。除此之外,此书更有一个特点:书中许多地方加註网站连结,将内容直接延伸到网站上的图片和影片。多年授课,卢文教授在网站上累积了许多充满趣味的教学实况影片,这本书中的许多叙述,可以用卢文教授在网站上的演示教学影片作为辅助,两者直接对照,让这本书更增阅读价值,这是科普书和网站资源难能可贵的结合。

  卢文教授透过亲身示范和活泼有趣的课堂演示,努力将物理活生生地呈现在他的学生面前。即使面对的是世界顶尖的MIT学生,他也清楚明说:「他们大多数人日后并不会成为物理学家。」他认为对这些学生而言,「认识和记住那些物理发现之美,比把注意力放在一些复杂的数学上要来得重要得多。」卢文教授所做的,是「尽可能帮助学生用一个不同以往的方式看待这个世界,去问一些他们从来没想过的问题,把关注的焦点放在物理本身独特的美,而不是数学的细节上。」他只想让学生见识到物理本身令人赞叹的优雅与美丽!

  像这样活泼有趣的物理演示教学,国内有人做吗?当然有!过去十年是国内物理演示教学蓬勃发展的一段时间,东吴大学的陈秋民教授、台湾师范大学的黄福坤教授、中央大学的朱庆琪教授、长庚大学的邱韵如教授、清华大学的戴明凤教授,和高雄师范大学的周建和教授等,都认真投入了演示教学的研发和执行,也向国外这个领域的资深教授如马里兰大学的瑞察.柏格教授(Prof. Richard Berg)观摩学习,引入新的教材教法,让国内的物理教学也有了改善和生机。只希望教育部和国科会可以注意到这些努力,明白这些扎根的工作未来可能造成的影响,而持续予以支持。假以时日,说不定台湾的学生也能将上物理课视为生活中乐趣的来源!

  这本书里,卢文教授描述了星系团周边的电浆因为声波传递,起了涟漪,产生宇宙天籁;也提到了洗澡的时候太阳光射入浴室,在眼前出现了伸手可及的彩虹!这是他所谓的「作为物理学家的特权」,我多么希望这本书能够开启年轻学子的智慧耳目,有朝一日,也可以手握彩虹、耳听天籁,认真享受一个物理学家的特权!

孙维新(国立自然科学博物馆馆长、台大物理系暨天文物理研究所教授)

导读4

〈学物理,是在学「看事情的方式」〉

  这是一本实用的故事书!是少数让我想要熬夜看完的好书。书名中虽然带有令多数人闻之色变的「物理」两字,但其中引人入胜的魅力,却是作者送给所有开卷入屋者的惊喜。我早已久仰作者在网路上以物理教学影片闻名的事蹟,因此更是好奇地想问:他是否也能在纸上谈出有趣的兵法来?看完书之后,除了佩服,还是佩服。

  喜欢听故事似乎是人人从小的天性,这本书基本上掌握了这个原则,成功地将自身的生命经历及科学史实,融入到原本可能硬梆梆的物理中,让小至原子分子、中至日常生活、大至宇宙星辰的世界万象,跃然纸上,让读者能在没有负担、甚至是欲罢不能的心情下,慢慢建立出物理素养,因此我称这本书是「实用的故事书」。基本上书里融合了几项不同的元素:作者独家有趣的人生故事、科学史、生活中的物理经验、简易的物理实验、基本的物理原理,以及人人向往的宇宙天文。他将这些元素巧妙地穿插在一起,让读者一旦开始阅读,便不

图书试读

我们通常看不到彩虹的尽头碰触到地面,这不是因为它不存在,而是因为它的尽头处太遥远、被建筑物或树或山挡住,或是因为那里的空气中雨滴比较少,所以彩虹的颜色比较淡。但是如果你够靠近彩虹,你甚至可以摸到它。比方说,你利用庭院里的水管所制造出来的彩虹应该就能被你摸到。

我甚至曾经在淋浴时把彩虹握在手中。我是在无意间发现这点的。当我面对莲蓬头时,我突然在淋浴间里看到两道(是的,两道!)明亮的主要彩虹,各约30公分长、3公分宽。这令我相当兴奋,它们实在很漂亮,就像是梦里一样。我伸手将它们握在手中。那感觉很特别!我已经讲授彩虹四十年了,之前从来没有看过两道主要彩虹,而且它们是在我手可以碰到的地方。

当时所发生的事是这么回事。一束阳光从浴室窗户射进淋浴间。就某个角度来说,这就好像我是站在喷水池里,而不是站在喷水池前面。因为水滴非常靠近我,而我的两颗眼睛相距约十公分,两颗眼睛各有一条虚拟线。角度刚好,水珠量也刚好,于是两颗眼睛各自看到一道主要彩虹。当我闭起一个眼睛,其中一道彩虹就会消失;当我闭起另一个眼睛,另一道彩虹会消失。我很希望将这个令人惊喜的现象拍起来,但我没办法,因为我的相机只有一个「眼睛」。

那天如此近距离地看到那两道彩虹,让我对它们的真实性有了种全新的体验。当我移动头部时,它们也会跟着移动,但只要我的头停着不动,它们也就会跟着停止不动。

偶尔,在可能的情况下我会调整早上淋浴的时间,以便看到彩虹。太阳必须是在天空中的正确位置,阳光才有办法从正确的角度穿过浴室窗户照进淋浴间。而这只发生在5月中到7月中之间。你大概知道,在某几个月分,太阳会愈来愈早出来,并且在天空中升得愈来愈高。而在北半球,太阳出现在我们南边的天空。在冬天的月分太阳升起时偏南(在东方),而在夏天时则偏北(在东方)。

我的浴室窗户面向南方,但南方有一栋建筑,因此光线不可能从南方过来。所以阳光只能从大约东南方射进来。我第一次看到淋浴间彩虹的那天,我很晚才去淋浴,大约十点钟。要在你的浴室里看到彩虹,你必须有一扇窗户,让阳光可以照到那些从水龙头里喷洒出来的水珠。事实上,如果你从来没办法从你的浴室窗户看到太阳,那你就不用去找你的淋浴间彩虹──不会有的。而且,就算阳光可以射进浴室,也不见得会有彩虹,因为与你的虚拟线夹42度的方向必须有许多水珠才足以产生彩虹,但实际上不见得如此。

这些可能是很不容易达到的条件,但是试试又何妨?如果你发现太阳会在下午四、五点射进你的淋浴间,嗯,那么你可以考虑改变你的洗澡时间。

用户评价

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《我在MIT燃烧物理魂》这个名字,一下子就抓住了我的眼球。它不像那些枯燥的教科书,而是充满了生命力和一种向上的张力。我脑海中立刻浮现出这样一个场景:在MIT那充满创新与活力的校园里,一位充满激情的学子,将自己的全部精力,甚至可以说是灵魂,都投入到了对物理世界奥秘的探索之中。我好奇这本书会讲述怎样的故事,是关于他如何从零开始,一步步掌握复杂的物理理论,还是关于他在实验室里,与那些前沿的科学仪器和数据搏斗,去揭示宇宙的真相?我希望书中能够展现出,在MIT那样一个汇聚了全球顶尖智慧的平台,个体是如何被激发潜力,又是如何在这种激烈的竞争与合作中,实现自我超越的。我更期待,作者能够分享他在追求科学真理的过程中,所经历的那些不为人知的艰辛、喜悦、甚至迷茫,以及最终如何在这种“燃烧”中,找到了属于自己的物理灵魂。这不仅仅是一本书,更像是一张邀请函,邀请读者一同踏上这段充满激情与智慧的探索之旅。

评分

我一直对那些能够将复杂知识化繁为简,并赋予其独特情感色彩的作品情有独钟。当我在书架上看到《我在MIT燃烧物理魂》时,我的脑海中立刻涌现出无数个关于科学精神的画面。我猜测这本书并非一本传统的学术著作,而是更像一部带有个人色彩的纪实文学,或许是作者在MIT求学或研究期间的真实经历的记录。我非常好奇,在那样一个精英荟萃、竞争激烈的环境里,一个年轻人是如何保持对物理学的纯粹热爱,又是如何在这种高压下“燃烧”自己的“物理魂”的。我期待书中能有那些关于灵感迸发的瞬间,那些突破思维定势的时刻,以及作者在面对实验结果不如预期时的反思与调整。我想象着,在厚重的学术氛围中,也存在着人性的光辉,有导师的悉心指导,有同学间的切磋砥砺,也有个人面对内心迷茫时的挣扎。我希望这本书能带我进入一个鲜活的学术世界,让我看到物理学家们是如何在追求真理的道路上,既有科学家的严谨与理性,也有普通人的情感与坚持。这是一种沉浸式的体验,让我仿佛能够亲身感受到那股在MIT校园中涌动的、对知识的无限渴求与探索的热情。

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当我在书店瞥见《我在MIT燃烧物理魂》时,我首先想到的是那种为了梦想而付出的执着与热情。《我在MIT燃烧物理魂》,这书名就已经在我的脑海里勾勒出一幅生动的画面:一个年轻人在世界级的科学殿堂——MIT,全身心地投入到他所热爱的物理学研究中,仿佛将自己的生命之火都燃烧在了这片学术的土地上。我非常好奇,是什么样的经历,什么样的感悟,让作者选择用“燃烧”这个词来形容他在MIT的物理探索之旅。我猜测书中必然会涉及大量的科学探索过程,但更吸引我的是,作者是如何在这种高强度、高压力的科研环境中,保持住那份最初的热情,又是如何克服接踵而至的困难和挫折。我希望能看到那些关于科学发现的激动人心时刻,也希望能读到作者在遭遇瓶颈时,内心的挣扎与思考。我期待这本书能不仅仅是一份简单的学习笔记,而是一次心灵的洗礼,一次关于科学精神、关于人生追求的深度解读。我想象着,通过这本书,我能够感受到那种纯粹的学术热情,以及为了知识而奉献一切的伟大情怀。

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这本书的名字听起来就充满了激情与探索的意味,"我在MIT燃烧物理魂",光是这几个字就能勾起我极大的好奇心。我一直对前沿科学充满敬畏,而MIT更是无数人心中的科学殿堂。我设想这本书讲述的,绝不仅仅是枯燥的公式和理论,而是那种在实验室里,面对未知的挑战,思维如同烈火般燃烧的真实写照。我脑海中浮现的是一个充满活力的年轻研究者,在先进的设备前,与顶尖的导师交流,在深夜的灯光下,一次次推敲实验数据,去追寻那些隐藏在宇宙深处最基本的规律。也许书中会描绘那种发现微小进展时的狂喜,也会有面对巨大困难时的彷徨与坚持。我尤其期待作者能展现出物理学的魅力,那些看似抽象的概念,是如何在科学家的手中变得鲜活,如何揭示出我们所处世界的本质。我想象着,阅读这本书,就如同踏上了一场智识的冒险,跟随作者的脚步,一起去感受科学探索的壮丽与艰辛,去体会那种为了纯粹的知识而付出的热情与代价。这本书就像一颗即将点燃的火种,点亮我对科学世界更深层次的理解和向往。

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不得不说,《我在MIT燃烧物理魂》这个书名本身就带着一股子不羁与狂热,像极了那些为了心中热爱而奋不顾身的人。我猜测这本书的主角,或者说作者本人,是一位在MIT这样世界顶尖学府里,将自己全身心投入到物理学研究中的年轻人。我脑海中勾勒出的画面,是无数个夜晚,实验室的灯光不灭,空气中弥漫着咖啡因和电路板的味道,而主人公则在数据和公式的海洋里遨游,眼神里闪烁着求知的光芒。我期待书中能够详细地描绘出他在学习和研究过程中遇到的各种挑战,不仅仅是学术上的难题,也包括来自外部的压力,甚至是内心的自我怀疑。我希望这本书能够展现出,在追求高深科学知识的过程中,所需要付出的巨大努力和牺牲,以及那种面对困难时,不屈不挠、直至燃尽自己所有能量的坚韧精神。我更渴望从中看到,物理学本身究竟有着怎样的魔力,能够让一个人如此痴迷,甚至“燃烧”自己的灵魂。这本书,我想,不仅仅是关于物理,更是关于一种极致的追求,一种将人生奉献给热爱的事业的勇气和决心。

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