物理學家的科學講堂:理解科學家的思考脈絡,掌握世界的定律與真理

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田中幸
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具体描述

從「人物」解讀科學的歷史!
 
  現代科學從我們身邊的各種現象,乃至包含地球在內的宇宙的誕生到終結,都已經可以給出廣泛的解釋。現代科學有時會被當成一個整體,有時則會被分成我物理、化學、生物、地球科學,但這四個領域本來其實是沒有分界的。因為它們全都是為了解釋這個世界而存在的研究和知識。
  
  早在很久很久以前,就連科學這個概念本身都還不存在的時候,人類便開始思考、探究、創造,嘗試許多除了單純的求生以外的事情。這世界上存在許多喜歡觀察身邊的環境,對各種事物感到好奇,於是追究他們的關聯、原理、成因,並嘗試去預測它們的人。
 
  最終科學演化成一種以無論何時、何地、任何人都能辦到的驗證為根基,講求檢驗,以「實驗」為核心的思維。所謂的驗證的就是反覆確認。我們常聽到可驗證性、可重複性等字眼,而它們正是科學的重要之處。也就是說,只要進行與前人一樣的實驗,就能得到與前人相同的結論。而重複進行實驗,一定能帶來更進一步的發展。
 
  在各種科學中,物理學的工作是將宇宙的原理拆解成最基礎的組成元件。物理學研究的對象,包含物體的運動、結構、溫度變化、聲音和光、電和磁等等,目的是找出我們身邊萬事萬物共同的基本規則和關係。現代科學家要找出某個問題的答案時,通常會先建立假說,做出預測,然後進行「實驗」,從實驗結果找出規律性。而這個方法最早就是由物理學發展而來的。還有,物理學的另一項特徵,就是會用數學式來描述世界的基本定律。
 
  然而,在現在最尖端的物理學領域,最流行的卻是以夸克為首的基本粒子、大霹靂、黑洞等與宇宙有關的研究。從現代物理學的角度來看,發現重力和電的真面目,都已經是相當古老的事件。去回溯這些古老發現的足跡,乍看之下只有浪漫或歷史性的意義,對於學習科學沒有太多幫助。但這並不是事實。我敢清楚斷言,認識以前的科學家們的大腦,對生活在現代的我們絕對有幫助。
 
  例如,有些在現代早已被推翻的古希臘先哲亞里斯多德的思想,仍常常被現代人自然地當成常識。所以去認識這些思想是如何被推翻的非常重要。還有,出生在日本的關原之戰時代的伽利略,以及伽利略以後的科學家們的思想,直到今日依然沒有褪色。這是因為物理學是一門藉由亞里斯多德時代的思想中仍沒有的「實驗」,經過許許多多科學家的經驗積累而成的學問。因此回溯這個累積的過程同樣十分重要。
 
  閱讀本書時的重點,除了認識那位科學家發現了什麼、發明了什麼外,更重要的是去認識他們思考的脈絡。愛因斯坦曾說「思考本身就是目的」。物理可以說是一門為「思考」提供了良好題材的學科。希望本書也能成為大家「思考」的契機。
 
本書特色
 
  解答國中生、高中生、大學生關於物理的所有疑惑,收錄了15個對學習高中、大學物理有幫助的主題。
  每個主題都會用三位科學家解說,了解「科學家如何思考」,打好物理學習的基礎!
  
《星空下的哲思:從宇宙起源到量子糾纏的思辨之旅》 一個關於我們如何理解這個世界的宏大敘事。 這本書並非聚焦於特定領域的物理學教科書,它不追溯某位具體科學家的學術生涯,也不系統地梳理單一物理定律的演變史。相反,它深入探討的是科學思維的底層邏輯,是人類在面對宇宙的極端尺度和極端微觀時,如何建構認知框架、提出假設,並最終形成我們今天所信賴的物理學圖景的心靈軌跡。 全書以一種散文式的、引人入勝的筆調,將讀者帶入一場橫跨數千年的哲學與科學的交匯之旅。我們將探索,當面對那些超出日常經驗的現象時——例如時間的本質、空間的彎曲,抑或是物質深處那難以捉摸的概率性——科學家們究竟運用了哪些思辨工具? 第一部:從實在觀念到抽象模型 本部分首先拋開對實驗細節的過度糾纏,轉而關注人類如何從原始的、感性的世界觀,過渡到建立抽象數學模型的能力。 我們將追溯古希臘哲人對於「不變實體」(如原子或本源物質)的探尋,並對比他們與伽利略、笛卡爾在引入數學語言後所產生的思維斷裂。重點討論的核心問題是:當我們用方程式來描述世界時,這個方程式是世界的「真實面貌」,還是一種「可操作的近似」? 書籍深入剖析了「理想化」在科學中的關鍵作用。例如,完美的真空、質點、慣性系——這些在現實中永遠無法被完全實現的概念,如何成為我們理解複雜物理現象的基石?我們將剖析科學家如何在「可觀測性」與「完備性」之間進行艱難的權衡,以及這種權衡如何塑造了我們對「客觀性」的理解。 第二部:測量之謎與觀察者的角色 在牛頓力學的宏偉框架下,世界被視為一台巨大的、可以完全預測的時鐘。然而,進入十九世紀末,隨著電磁學和熱力學的發展,這種確定性開始鬆動。 本書的第二部分將核心目光投向測量的行為本身。我們不深入講解量子力學的數學推導,而是著重探討那些圍繞測量問題展開的哲學辯論: 1. 實在性的界限: 當我們描述一個粒子(例如電子)的狀態時,我們描述的是它固有的屬性,還是一種與測量儀器相互作用後產生的結果? 2. 局域性與非局域性: 愛因斯坦對「幽靈般的超距作用」的質疑,不僅是對物理理論的挑戰,更是對我們對空間和因果關係理解的根本性動搖。我們將探討,是空間限制了相互作用的速度,還是空間本身是相互作用的產物? 3. 概率的接受與恐懼: 科學家們如何從對絕對真理的追求,轉變為對「概率陳述」的接受?這種轉變背後隱藏著對知識邊界的承認,抑或僅僅是一種當前技術的無奈? 我們將呈現那些思維上的「臨界點」,例如,當海森堡意識到他不能同時精確測量動量和位置時,他所經歷的心靈震盪,這種震盪遠超於實驗室數據的修正。 第三部:統一的渴望與理論的詩學 最後一部分將探討科學研究的終極驅動力:對統一性的不懈追求,以及這種追求所帶來的理論美學。 許多偉大的物理學理論,從麥克斯韋的電磁統一到當代仍在探索的「萬有理論」,它們的吸引力往往不僅在於其預測的精確性,更在於其簡潔性、對稱性與優雅性。 我們將分析: 對稱性的「先驗性」: 對稱性是如何從純粹的數學概念,轉化為物理定律的根本約束的?這是否暗示著宇宙在最深層次上遵循著某種固有的、美學上的邏輯? 概念的「破壞性創新」: 偉大的科學突破往往需要徹底拋棄舊有的、根深蒂固的常識(如絕對時間、絕對空間)。本書探討了科學家如何克服這種「思維慣性」,並論證了真正的創新往往是對既有框架的徹底重構,而非漸進的修補。 科學的邊界與未來: 當前物理學的前沿(如暗物質、宇宙學常數、量子引力)正在將我們推向經驗可及的極限。本書最後將反思,當我們的工具和概念都接近失效時,科學思維還能依賴什麼來引導前進?是數學的純粹性,還是某種超越現有框架的直覺? 《星空下的哲思》旨在為讀者提供一個宏觀的視角,去欣賞科學家在構建世界圖景時所展現的非凡的創造力、懷疑精神和面對未知時的堅韌。它邀請讀者進入科學家們的內心世界,去體驗那種從困惑到洞見、從混沌到秩序的思辨律動。這是一本關於「如何思考」的書,而非僅僅是「思考了什麼」的書。

著者信息

作者簡介
 
田中 幸(Tanaka Miyuki)
 
  生於岐阜縣。晃華學園中學校高等學校教員。自上智大學理工學部物理學科畢業後,在企業從事發電廠設計工作。先後歷任慶應義塾高中、都立日比谷高中、西高中等學校的物理講師後,進入晃華學園中學校高等學校擔任教員。日本物理教育學會、物理教育研究會(APEJ)會員。東京書籍中學理科教科書執筆委員。NHK高中講座物理基礎製作協力。
 
結城 千代子(Yuuki Chiyoko)
 
  生於東京。上智大學理工學部非常勤講師。國際基督教大學大學院理科教育法修士課程結業。筑波大學大學院生物系統研究科肄業。先後歷任國高中、埼玉大學、昭和大學等學校的物理講師後,現擔任上智大學非常勤講師。兼任晃華學園瑪莉亞之園幼稚園園長。東京書籍中學理科、小學理科、小學生活科教科書執筆委員。前NHK高中講座物理基礎講師。著有科學企畫系列『ホット‧ホッター&ホットネス(熱、加熱器&熱量)』(コロナ社)等作。
 
  二人合著有『新し科学の話(新科學故事 全6本)』(東京書籍)、『探究のあしあと―霧の中の先駆者たち 日本人科学者(探究的軌跡―迷霧中的先行者們 日本科學家)』(東京書籍)、美好實驗室系列『粒でできた世界(粒子構成的世界)』(太郎次郎社エディタス)、『くっつくふしぎ(不可思議的聚合力)』(福音館書店)等。

图书目录

卷頭語……3
前言……6

第1章 力學之一(運動)……9
亞里斯多德……10
伽利略……12
笛卡兒……14
從生活思考科學
物理學中的「運動」是什麼?……16
專欄
李奧納多‧達文西與摩擦力……18

第2章 大氣壓與真空…19
托里切利……20
帕斯卡……22
格里克……24
從生活思考科學
什麼是「壓力」?……26
專欄
人們早在江戶時代就知道空氣的存在……28

第3章 力學之二(萬有引力)……29
虎克……30
牛頓(第6章也會出場)……32
卡文迪許……34
從生活思考科學
什麼是萬物皆有的「萬有引力」?……36
專欄
牛頓活躍時代的日本……38

年表① 對力學的建立貢獻卓著的科學家們……39
創造歷史的科學家的名言①……40

第4章 溫度……41
塔斯卡尼大公斐迪南二世……42
攝爾修斯……44
克耳文男爵……46
從生活思考科學
什麼是「溫度」?……48
專欄
「溫度計」的發展史……50

第5章 熱力學……51
瓦特……52
卡諾……54
焦耳……56
從生活思考科學
認識熱力學的發展史

專欄
新概念「熵」的出現……60

年表② 對熱力學發展貢獻卓著的科學家們……60
創造歷史的科學家的名言②……62

第6章 光之一(波的探究)……63
牛頓(第3章也有出場)……64
惠更斯……66
楊格……68
從生活思考科學
不可思議的光學現象……70
專欄
什麼是反射所有光的全反射?……72

第7章 聲音……73
傅立葉……74
都卜勒……76
馬赫……78
從生活思考科學
聲音的性質……80
專欄
畢達哥拉斯與音階……82

年表③ 與波的研究有關的科學家們……83
創造歷史的科學家的名言③……84

第8章 磁與電……85
吉爾伯特……86
庫倫……88
高斯……90
從生活思考科學
靜電與磁鐵有何不同?……92
專欄
貴族們也沉迷其中的靜電……94

第9章 電流……95
伏打……95
安培……98
歐姆……100
從生活思考科學
什麼是「帶電」……102
專欄
電流與磁場的研究者‧奧斯特……104

第10章 電磁波……105
法拉第……106
馬克士威……108
赫茲……110
從生活思考科學
什麼是電磁波?……112
專欄
電波是哪種電磁波?……114

年表④ 電磁學的發展與科學家們……114
創造歷史的科學家的名言④……116

第11章 原子的結構……117
J.J.湯姆森……118
長岡半太郎……120
拉瑟福……122
從生活思考科學
解開原子結構之謎的契機是花粉……124
專欄
打開核能的大門……126

第12章 輻射線……127
倫琴……128
貝克勒……130
瑪莉‧居禮……132
從生活思考科學
輻射很可怕嗎?從頭開始認識輻射……134
專欄
被應用在各種領域的輻射線……136

第13章 光之二(波粒二象性)……137
愛因斯坦……138
康普頓……140
德布羅意……142
從生活思考科學
光到底是什麼?從生活的例子到相對論……144
專欄
量子力學與愛因斯坦……146

第14章 量子力學……147
普朗克……148
波耳……150
薛丁格……152
從生活思考科學
什麼是量子力學?認識量子力學的概念和原理……154
專欄
朝永振一郎與同時代的科學家們……156

第15章 基本粒子……157
狄拉克……158
費米……160
蓋爾曼……162
從生活思考科學
認識基本粒子研究的大型設施……164
專欄
日本科學家的活躍‧湯川秀樹與坂田昌一……166

年表⑤ 與原子研究有關的科學家們……167
創造歷史的科學家的名言⑤……168

參考文獻‧網站一覽……170
索引……174

图书序言

  • ISBN:9786263048423
  • 叢書系列:樂讀科普
  • 規格:平裝 / 178頁 / 18.2 x 25.7 x 1 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

卷頭語
 
  最近的科學技術有許多令人讚嘆的發展。我們正身處一個世界所有角落的新發現,都能轉瞬間傳播至全世界的時代。
 
  另一方面,這世上也還有很多我們不了解的現象。
 
  我們常說地球的歷史有四十六億年,而人類的誕生距今只有短短二十幾萬年。與地球的歷史相比,可以說人類的誕生就像昨天才發生的事。其中埃及、希臘、中國等文明大約是在一萬年前興起的。對比之下,近五百年、三百年,甚至一百年間的科學技術發展令人瞠目結舌。
 
  本系列嘗試將科學史分為物理、化學、生物、數學、天文等幾大領域,尤其是從與人物有關的角度來彙整各領域的源流和發展。
 
  我們從每個領域各擷取了約十五項主題,再從每項主題中選出三名對該領域貢獻卓著的偉人,並盡可能以淺顯易懂的方式介紹每位人物的研究成果,以及他們的研究在科學史上帶來的漣漪。
 
  認識了研究源流,便會理解這些研究者驚人的想像力與其研究成果的重要性,進而體會到當今的科學技術發展,都是建立在前人的努力之上。
 
  本系列編撰的初衷,是想為社會大眾帶來幫助。
  若有更多人能讀到此書,就是我最大的幸福。
 
編輯代表
藤嶋昭

用户评价

评分

這本書最讓人驚喜的地方,在於它成功地將「科學史」與「科學哲學」進行了一次完美的交融,完全跳脫了傳統科普書那種「重點整理」式的膚淺介紹。它更像是引導讀者進入一個辯論場,讓我們親身參與到科學家們對「何謂真實?」、「如何證明?」的永恆追問之中。作者對於科學方法論的解析尤其深刻,他並非只是告訴我們某個理論是如何被「證明」的,而是著重探討了在那個特定的歷史節點,科學社群是如何共同建立起一套被廣泛接受的「驗證標準」。這種對於「共識的形成」的剖析,極具啟發性。我特別留意到書中對於實驗設計倫理的討論,這部分在當代的科技發展中顯得尤為重要,它提醒我們,物理學的發展不能脫離人類社會的價值觀。坦白說,讀完後,我對「客觀事實」這幾個字有了更複雜的理解,這本書不只是在教你物理,更是在訓練你的批判性思維,教你如何跳脫既有的框架去看待資訊的本質。

评分

關於這本書的敘事節奏掌握,我必須給予高度肯定。它避免了那種為了追求學術深度而顯得拖沓冗長的毛病,也沒有為了迎合大眾而過度簡化導致失真的問題。書的結構設計得很聰明,每一章節似乎都在講述一個獨立的科學故事,但當你讀到後面的章節時,會發現前者的論點是如何為後者的突破鋪路的,這種層層遞進的知識架構,讓人讀起來非常過癮,有種抽絲剝繭、撥雲見日的暢快感。特別是當作者在描述某個物理學突破是如何經歷了漫長而艱辛的「科學共同體」的質疑與反覆驗證過程時,那種對科學社群內部動態的細膩刻畫,讓我對科學研究的「社會性」有了更深層的體悟。這不是一個英雄的獨白,而是一個群體的、持續不斷的探索過程。這使得全書的閱讀體驗非常連貫且引人入勝,讓人忍不住想一口氣讀完,然後再回頭細細品味那些關鍵的轉折點。

评分

這本選書的眼光,展現了編輯團隊對於當代讀者需求的精準把握。在資訊爆炸的時代,我們接收到的往往是零碎的、最終的科學結論,缺乏對過程的尊重與理解。而這本書恰好填補了這個空白。它不是一本教科書,也不是一本傳記,它更像是一套深入的「方法論指導手冊」,教導我們如何像頂尖的物理學家那樣去建構一套能夠解釋世界的邏輯系統。書中對於「模型建構」與「邊界條件設定」的討論,對我日常工作中的問題解決都有潛移默化的影響。例如,在處理複雜的商業數據時,我會不自覺地去思考:我的基本假設是什麼?這個模型在哪些條件下會失效?這種科學式的求真精神,才是這本書帶給台灣讀者最寶貴的財富。它提供的工具,不僅限於理解宇宙的奧秘,更是讓我們學會如何在這個充滿變數的世界中,保持清醒與探究的熱情,這份收穫,遠超乎書本本身的價格。

评分

從排版和裝幀設計來看,這家出版社確實下了不少功夫,拿到手上就有種「這是一本認真對待知識的書」的感覺。紙張的選用恰到好處,不是那種過於反光的亮面,長時間閱讀下來眼睛負擔比較小,這點對於我們這些習慣在睡前捧著書本的人來說非常重要。內頁的圖表和示意圖的編排也極為精妙,很多複雜的概念,如果光看文字很難理解,但配上這個版本的圖示,往往能瞬間打通任督二脈。比如書中對相對論邊界條件的解釋,過去我看過很多外文書籍,圖都畫得很抽象,但這裡的圖解簡潔有力,讓我這個理工科底子沒那麼紮實的讀者也能迅速掌握核心概念。而且,書中對一些經典物理學家的軼事描述,也收錄得非常豐富,這些小故事不僅調劑了嚴肅的學術氣氛,更重要的是,它們讓我們看到了科學家也是有血有肉、充滿個性的普通人,這拉近了我們與「科學殿堂」的距離。整體而言,這本書的製作水準,完全體現了台灣出版業在嚴謹與美感之間找到平衡點的功力。

评分

這本書的譯文品質真是讓人眼睛一亮,完全不像有些翻譯作品那樣生硬拗口,讀起來的感覺就像是台灣在地學者用清晰、流暢的中文在跟你對談。作者在選材上非常用心,挑選的這些科學家案例,每一個都代表了物理學發展史上的關鍵轉捩點,而且不只是羅列公式或理論,更深入挖掘了他們在面對困境、產生靈感時的「心路歷程」。書中對於科學家們如何在看似毫無頭緒的實驗數據中,捕捉到自然界隱藏的規律,那種描述極具畫面感。我尤其喜歡作者在介紹那些重大的物理學革命時,會穿插一些當時社會背景的描述,這讓我覺得,科學的進步從來都不是真空發生的,它跟時代的脈動是緊密相連的。舉例來說,當談到量子力學的誕生時,那種面對經典物理學崩潰時,科學家們內心的掙扎與辯證,被描繪得栩栩如生,讓人不禁思考,或許我們現在深信不疑的「真理」,在下一個十年也可能被更深層的洞察所顛覆。這本書的價值,不單在於傳授知識,更在於展示了科學思維本身的魅力與韌性,對於想更全面理解科學精神的讀者來說,絕對是本值得細細品味的佳作。

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