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 (電子書)

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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!
  
书名:探索未知的边界:现代科学的哲学与方法 引言:科学的灯塔与人类的求知欲 自古以来,人类从未停止对宇宙和自身的追问。“我们从哪里来?世界是如何构成的?生命存在的意义是什么?”这些宏大的命题,构成了科学探索的永恒主题。本书旨在带领读者深入现代科学的内在逻辑与方法论,探寻支撑起我们对世界认知的基石。我们不局限于具体学科的知识点,而是聚焦于科学思维的构建过程——科学家们是如何提出问题、设计实验、构建理论,并最终达成共识的。 本书将带领读者穿越时空的隧道,回顾科学思想的演变历程,理解科学哲学如何影响了物理学、生物学乃至认知科学的发展方向。我们将着重探讨科学发现中的创造性与严谨性之间的微妙平衡,以及科学理论的本质——它们是真理的绝对描摹,还是对客观世界的有效近似? 第一章:科学革命的引擎:范式转换与知识的积累 科学并非是一条平坦的、持续上升的道路,而是一系列“革命性”的跃迁所驱动的。本章将深入剖析托马斯·库恩(Thomas Kuhn)所提出的“范式”(Paradigm)概念。我们首先会考察亚里士多德的宇宙观如何统治了西方思想长达千年,以及哥白尼和伽利略的观测如何撼动了这一旧范式。 我们将详细分析“常规科学”的运作模式,即在既定框架内解决“谜题”的过程。然而,当累积的异常现象(Anomalies)多到无法用现有工具解释时,科学共同体便会面临危机,并最终导向“科学革命”——一个全新的世界观的建立。通过考察牛顿力学到爱因斯坦相对论的过渡,读者可以体会到,理论的更迭不仅是数据的修正,更是思维方式的根本转变。我们还会讨论科学知识的“累积性”:新理论是如何吸收、修正或完全取代旧理论的,以及这种迭代过程对社会认知产生的深远影响。 第二章:理论的构建与证伪的艺术 科学理论的有效性在于其解释力和预测力,但如何判定一个理论是“好”的理论?本章将聚焦于科学方法的核心——卡尔·波普尔(Karl Popper)提出的“可证伪性”(Falsifiability)原则。我们将探讨为什么一个无法被实验推翻的理论,无论其多么优雅,在科学上都是可疑的。 我们会通过具体的历史案例,例如拉瓦锡的化学革命中对燃烧理论的修正,来展示科学家如何主动设计“陷阱”来检验自己的假设。证伪过程并非是科学的终结,而是新一轮探索的开始。我们还将讨论“确认偏差”(Confirmation Bias)对科学研究的潜在威胁,以及严格的同行评审(Peer Review)机制如何在很大程度上充当科学共同体的“免疫系统”,确保知识的可靠性。此外,本书还会探讨理论的“奥卡姆剃刀”原则——在同等解释力下,选择结构更简洁、假设更少的理论。 第三章:潜藏的假设:测量、模型与实在的距离 我们如何确信我们“看见”的是世界的真实面貌?现代科学高度依赖于数学模型和精密仪器,但这其中潜藏着深刻的哲学问题。本章将审视“实在论”(Realism)与“反实在论”(Anti-Realism)之间的争论。经典实在论者坚信,被成功的科学理论所描述的实体(如电子、场)是真实存在的;而工具主义者则认为,理论只是解决问题的有效工具,其内部结构是否对应客观世界并不重要。 我们将深入分析“测量”这一行为的本质。从量子力学中观察者效应的引入,到气候模型中对复杂系统的简化,我们发现科学总是在试图用有限的、可操作的语言去描述无限的、复杂的现象。本章将解析科学模型(Scientific Models)的局限性,探讨它们是如何在捕捉现象本质与保持可操作性之间寻求平衡的。读者将理解,一个完美的数学描述并不必然等同于对物理实在的完整把握。 第四章:交叉领域的挑战:复杂性、涌现与不可预测性 进入21世纪,科学的焦点正逐渐从简单的、线性的系统转向高度复杂的非线性系统,如天气、生态系统、大脑活动乃至社会经济现象。本章探讨的是“涌现现象”(Emergence)的概念——简单规则下如何产生宏大且不可预测的复杂行为。 我们将考察耗散结构理论(Dissipative Structures)和混沌理论(Chaos Theory)对传统决定论的冲击。如果初始条件的微小差异会导致结果的巨大偏离,那么长期的精确预测是否根本上就是不可能的?本章还将讨论跨学科研究的意义,例如,生物学如何借鉴信息论,物理学如何融入统计力学来解释生命现象。理解复杂性意味着接受科学知识的边界并非总能被精确划定,而是存在着固有的不确定性区域。 第五章:科学的伦理与社会责任:知识的边界与应用 科学不仅是知识的积累,也是一种强大的社会实践。本章关注科学发现的社会责任和伦理困境。我们考察科学研究如何受到资助结构、政治环境和文化价值观的影响。科学的“客观性”是否真的能在社会实践中保持绝对纯粹? 我们将讨论科学与技术的互动关系,以及科学发现可能带来的双重用途(Dual-Use)问题——一项基础研究成果可能同时带来巨大的福祉和潜在的灾难。此外,本章还将探讨公众对科学的理解与信任危机,分析虚假信息传播(Misinformation)对科学共识的侵蚀。科学家们不仅有责任发现真理,更有责任以负责任的方式传达这些知识,并在社会决策中提供清晰、诚实的指导。 结语:永不停止的提问 科学的伟大之处,不在于它已经提供了多少答案,而在于它教会了我们如何更有效地提问。本书的探索之旅旨在培养读者批判性思维的能力,使之能够辨识有效论证与伪科学之间的细微差别。理解科学家的思考脉络,并非是去记住无数的公式,而是学会像他们一样,以怀疑的眼光审视既有的断言,以严谨的态度面对不确定性,并永远对未知保持敬畏与好奇。真正的科学精神,是一种持续求索、不断自我修正的文化。

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
  • EISBN:9786263290556
  • 規格:普通級 / 初版
  • 出版地:台灣
  • 檔案格式:EPUB固定版型
  • 建議閱讀裝置:平板
  • TTS語音朗讀功能:無
  • 檔案大小:60.6MB

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

我最近在找那種「啟蒙型」的科普讀物,就是那種讀完後會讓你覺得「哇,原來是這樣!」而不是讀完就忘的。這本《物理學家的科學講堂》聽說就是這類型的代表作。我的興趣點不在於精確計算,而是那種「哲學層面」的探討。譬如說,愛因斯坦當初是怎麼跳脫既有框架去思考時間與空間的關係?牛頓在蘋果樹下那一瞬間,他的心靈風景是怎麼樣的?這本書如果能把這些歷史的轉折點,用非常生活化、貼近人性的方式描寫出來,我絕對會一口氣把它K完。我最怕那種寫得太學術、充滿了只有物理系學生才看得懂的術語,這樣就失去了「講堂」的意義了。我需要的是一個好的說書人,一個能把複雜的概念,拆解成積木一樣,讓我們自己動手組裝的老師。如果它能做到讓人讀完後,走路都會不自覺地去觀察身邊的現象,然後在腦中自動連結到某個物理原理,那它就成功了。這不只是一本書,根本就是一個思維工具箱。

评分

我身邊的朋友都是搞文科的,大家偶爾會聊到「科學素養」這件事,總覺得我們好像被擋在了一個高牆之外。這本《物理學家的科學講堂》簡直就是為我們這些「仰望者」準備的攀爬工具。我比較在意的是它的「脈絡」建構能力。很多書是點狀的知識堆砌,A定律、B效應,讀完一堆專有名詞,合起來卻像一盤散沙。我希望這本書能像織布一樣,把這些看似不相關的物理學思想,用科學家的思考邏輯串聯起來,形成一張完整的網。如果它能清晰地說明,從牛頓到量子力學,中間的思想轉折是如何發生的,那種「思想的演進史」比單純的定律介紹更有吸引力。我還想知道,當科學家面對一個「無解」的問題時,他們是如何「允許自己犯錯」或「如何設計實驗來證明自己是錯的」。這種科學精神的展現,對我建立面對挑戰的韌性,一定有巨大的幫助。總之,我追求的是一種能引導我進入科學家心靈世界的鑰匙。

评分

這本書的書名給了我一種非常強烈的「實用感」,雖然它講的是理論物理的基礎,但強調了「理解」和「掌握」。在我們這個追求效率和結果的時代,能夠停下來,專注於「如何思考」而不是「思考什麼」,是一種難得的奢侈。我希望這本書的寫作風格是那種充滿熱情的、像是跟一位熱愛自己專業的大師面對面請教的感覺。我特別想知道,現代的物理學家是如何在面對極端複雜性(比如宇宙學或高維空間)時,還能保持他們的直覺和清晰的邏輯。這本書如果能捕捉到這種「直覺的訓練過程」,而不是只有最終的數學結果,我會給它滿分。我需要的不是讓我能去解題,而是讓我能理解解題的「美學」。如果讀完後,我能更清晰地向我的家人或朋友解釋,為什麼科學家們會那麼堅持某些看似反直覺的理論,那這本書的價值就體現出來了。我期望它能成為我書架上那本,每次翻開都能找到新啟發的「常青樹」。

评分

說實話,我對台灣出版的科普書有時候會有點小小的保留,總覺得翻譯腔太重,讀起來不夠「順」。但這本聽說是在華人世界引起不小迴響,也許是作者本身就具備很強的敘事能力。我對「掌握世界的定律與真理」這部分非常感興趣,這聽起來有點像是某種內功心法。畢竟,物理學不就是人類探索宇宙最基礎規則的努力嗎?如果我們能理解這些定律是如何被建立、被驗證的,那是不是也能應用到我們的生活決策上?例如,面對一個兩難的處境,能不能像物理學家處理一個複雜系統一樣,先找出關鍵變數,然後進行預測性的分析?我希望這本書能提供的不只是知識,更是一種處理問題的「心法」。我期待的閱讀體驗是,每一章節讀完,都能在我的世界觀上鑿出一個新的小洞口,讓我能看到過去沒察覺到的風景。這本書的厚度看起來不薄,但如果內容紮實,我願意花時間慢慢咀嚼,因為這種能改變我看待事物深度的書,真的太難得了。

评分

這本《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》看書名就覺得超有深度,感覺是那種能讓人瞬間提升格局的好書。我平常對物理學其實沒什麼特別的熱衷,頂多在學生時期被考試逼著讀過,但對於「理解科學家的思考脈絡」這幾個字,實在是太吸引人了。你知道嗎,很多時候我們看新聞、聽專家分析,總覺得他們好像是用一套我們不懂的語言在溝通,彷彿有某種隱藏的思維模式。這本書如果能揭開這個神秘面紗,讓我窺見那些頂尖頭腦是如何架構他們的論點、如何從觀察到歸納出複雜的定律,那絕對是物超所值。我期待它能像一位經驗豐富的導遊,帶領我這個物理門外漢,不是去背誦那些拗口的公式,而是去感受科學家面對未知時的那種好奇心與嚴謹性。如果它能讓我以後看任何科學發現時,不再只是驚嘆,而是能試著去「思考」他們是怎麼想出來的,那就太棒了。尤其現在資訊爆炸,分辨真假、看透表象的能力越來越重要,能夠掌握「世界的定律與真理」,哪怕只是皮毛,也足以讓人站得更穩。我希望這本書讀完後,能讓我對周遭的世界多了一層「科學濾鏡」,看事情的角度會更銳利、更不容易被表象迷惑。

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