由圖像建立物理觀念
以想像力登上物理殿堂
文◎牟中瑜（國立清華大學物理系教授）
許多物理重大突破均源自生動的想像
圖像式思考是想像的重要延伸
物理學自十七世紀後即有突破性的發展，在一些領域上的進展，如牛頓力學、電磁學、相對論與量子力學的發展，不僅將人類的知識向前推進，並帶動了科技的進步。許多科技的產品來自物理學的進展，例如人造衛星的發射使用了牛頓力學與牛頓重力定律、用來接收電磁波的電視機是電磁學的最佳說明實例、全球衛星導航系統使用了相對論，而電腦的發明則來自以量子力學為基礎的半導體物理。
雖然這些科技的產品已直接影響到人類的日常生活，然而多數的人並不清楚其背後的物理，而當提到物理時，仍然覺得那是一個距離遙遠、困難且令人生畏的學科。造成這樣的印象，部分的原因是大多數與物理有關的讀本都太嚴肅並缺乏想像的空間。實際上，物理學上許多重要的突破都來自超凡與生動的想像，而非來自機械制式的想法。
近代最著名的例子就是愛因斯坦，當愛因斯坦在十六歲──相當於目前的高中一年級時──就已經想像騎在光束上會見到的景象，對這個問題的持續關注與執著思考，最後導致他發現了相對論。除了想像在光束上馳騁外，愛因斯坦更經常藉由思想上的實驗來檢驗他的想法，因此他聲稱想像比知識更為重要。而本書所採用的圖像式思考正是想像的重要延伸，是學習物理學的一個重要方式，但卻也是過去國內物理教育比較欠缺的。
數學公式非學習物理的目的而是追求圖像式思考的重要媒介
物理學是講求精確的科學，而講求精確可說是造成物理學困難而令人生畏之印象的主要原因。然而為了精確，物理學中常需要使用數學式子來精確陳述重要的結論或結果，因此使用數學或以數學推導在學習物理中是不可避免的。不過，數學的使用卻往往成為多數人學習物理學的障礙，以為使用數學是唯一了解或說明物理的途徑。
這樣的認知常常使許多人在學習物理時，注意力集中在數學的推導而被數學牽著走，忽視了物理圖像，因而往往在學習一些課題後，無法掌握這些課題的要點。實際上，為了精確，物理學雖然大量使用數學，但其目的在協助我們得到所謂的物理圖像，數學的推導只是輔助推導精確的結果。這些所得到的物理圖像可說是圖像式思考的基礎，指的是以生動圖像的方式理解精確的結果，因此在經過必需的數學推導之後，一定要再回顧整個推導的邏輯，並勾畫出問題或結論所獲得的圖像，才能掌握重點，比較有效地學習物理。
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本書來自日本，為針對業餘的物理讀者所寫的一本高中程度的物理讀本。除了以口語式的說明取代直接的數學式，作者透過使用大量而生動的圖片，讓讀者知道每一單元的重點及其圖像。書中內容先大致說明了物理學的概要、架構以及宇宙觀，再透過之後的章節，循序漸進地介紹四大物理基礎領域。建議讀者讀完全書後，可再重讀剛開始的章節，如此可更有助於了解物理學的全貌。此外，本書主要特點是在文字說明的同時，一定配合圖片的解說，充分掌握了學習物理時需注重「圖像式思考」的要點，相信讀者在圖文合併的解說下，都能夠清楚地掌握到物理的重點。
了解物理學是掌握現代科技的第一步，希望這本書的引用，能帶動國內物理界以更活潑生動的方式來介紹與物理相關的課題，打破物理是一門生硬學科的印象，讓更多的人能體會到物理學的奧妙。
