用說故事、有趣的比喻跟插畫讓孩子了解物理

如果是一輛真正的汽車朝你開過來,要想使它停下來,一般人肯定做不到,得超人這樣的超級英雄才行。我們可以將牛頓第二定律看成是一個懶人的定律:越懶的人,他的惰性就越大,改變起來也就越難。

很多同學應該都看過臉書創辦人祖克柏跟他的女兒講量子力學的那張照片。祖克柏在北京的清華大學經濟管理學院演講時,談到學習量子力學對他思維方式產生的巨大幫助。因此,清華經濟管理學院的錢穎一院長當場表示,要把量子力學列入他們學院的正式課程。

可能有些同學會好奇了:什麼是量子力學呢?一個由量子力學主宰的世界,到底是什麼樣的?下面,我就帶領大家開啟一場量子世界之旅。在遨遊神奇的量子世界之前,我要先回顧一下古典世界,也就是我們日常生活的世界。在二十世紀以前,我們對古典世界的認識主要來自於牛頓爵士﹝Sir Isaac Newton,一六四二∼ 一七二六年﹞,他是人類歷史上最著名的兩大科學家之一。

牛頓的早年生活相當悲慘。他出生在英國的一個小村莊。在他出生前三個月,他爸爸就去世了。三歲那年,他媽媽又結了婚,牛頓被交給外婆撫養。牛頓怨恨媽媽遺棄了自己,甚至曾經想放火燒掉繼父家的房子。直到他十歲那年繼父也過世了,媽媽才搬回來與他同住。十六歲那年,媽媽讓他輟學,好幫自家的農莊幹活。幸好中學校長特別愛才,專程跑到他家去遊說,說像他這麼聰明的孩子,不讀書實在太可惜。再加上他的舅舅也表示會在經濟上幫忙, 牛頓才重返校園。我們應該感謝這位了不起的中學校長: 要是沒有他,牛頓爵士就得一輩子修理地球了。

牛頓十八歲那年考上了劍橋大學三一學院。這是全世界最有名的學院之一。同學們應該知道,世界上有一個很了不起的大獎,叫諾貝爾獎,它包括物理、化學、生理學或醫學、文學、和平與經濟學六大類。迄今為止,劍橋大學三一學院的師生已經拿過三十二次諾貝爾獎。要知道,整個亞洲,四十八個國家,四十多億人口,加起來也只拿過不到三十次諾貝爾獎。不過,拿了這麼多次諾貝爾獎並不是三一學院聞名遐邇的主要原因。讓這個學院名動天下的真正原因是,這裡出了一個牛頓。

牛頓二十二歲從劍橋大學畢業,那年英國爆發了一場大瘟疫, 牛頓就回到自己家的農莊避難。在避難的那兩年,他做出了三項影響後世數百年的偉大發現,分別是微積分、光譜學和萬有引力。牛頓之所以能創造這樣的奇蹟,一個很重要的原因就是他特別用功。比如,有一次他請朋友到家裡吃飯,朋友來了以後,卻發現牛頓正在書房裡廢寢忘食地工作。朋友左等右等也不見他出來,就自己吃掉了一隻雞,留下一堆雞骨頭後離開了。牛頓從書房出來,看到盤中的雞骨頭後恍然大悟地說:「我還以為自己沒有吃飯,原來早就吃過了」。說完,他又回書房工作去了。

兩年後,牛頓重返劍橋,並於二十六歲時當上了第二任盧卡斯數學教授 。此後,牛頓的人生一帆風順:二十九歲被選為英國皇家學會的院士,四十六歲當選為英國國會議員,五十六歲當上英國皇家造幣廠的廠長,六十歲成為英國皇家學會的院長。牛頓是歷史上第一個被封為爵士的科學家,也是有史以來第一個享受國葬待遇的科學家。在他死後,一位詩人專門寫了一首歌頌他的詩,詩裡寫道:「自然規律隱藏在黑暗之中。上帝說『讓牛頓去吧』,然後世界就有了光明。」

為什麼牛頓爵士會獲得如此高的聲譽?因為他寫了一部非常偉大的學術著作,叫《自然哲學的數學原理》。左邊的圖就是這部著作第一次出版時的封面。在這部著作裡,牛頓爵士建立了一門全新的學科,叫古典力學, 也叫牛頓力學。其核心是牛頓三定律和萬有引力定律。

牛頓第一定律說的是,如果沒有外力,物體會一直保持它原有的運動狀態。同學們在日常生活中經常會有這樣的體驗:你在家裡玩電腦遊戲玩得正高興,媽媽突然讓你到外面去做運動,你肯定會覺得很煩;又如,你在外面玩得正開心,媽媽突然叫你回家吃飯,你肯定也會不願意。

類似的,一個靜止的物體,你要是不去推它,它就會一直不動;而一個在真空中運動的物體,你要是不去攔住它,它就不會停下來。在物理學上,我們把物體想要保持原有運動狀態的特性叫作慣性,所以牛頓第一定律也叫慣性定律。


牛頓第二定律說的是,力能改變物體運動的速度。我們可以想像,一個靜止的物體,你推它一下,它就會動起來;而一個運動的物體,你把它抓住,它就會停下來。還有一點很關鍵:質量越大的物體,要改變其運動狀態就得花更大的力氣。舉個例子:有一輛玩具小汽車朝你開過來,要想讓它停下來,你只需伸手抓住它就可以了。但如果是一輛真正的汽車朝你開過來,要想使它停下來,一般人肯定做不到,得超人這樣的超級英雄才行。我們可以將牛頓第二定律看成是一個懶人的定律:越懶的人,他的惰性就越大,改變起來也就越難。同樣,越是質量大的物體,慣性就越大,改變起來也就越難。

牛頓第三定律是說,如果你對物體施加一個作用力,就會受到物體給你的一個大小相等、方向相反的反作用力。舉個例子,很多同學,都喜歡拍皮球。當你拍皮球的時候會感到手疼。這是因為在拍球的時候,你的手對皮球施加了一個力,而皮球反過來也會給你的手一個大小相等的反作用力。你拍得越用力,手就會越疼,這是因為皮球給手的反作用力也相應變大了。

除了這三條運動定律,牛頓爵士還發現了一條關於力的新定律, 叫萬有引力定律。它說的是,任何兩個有質量的物體之間都存在著一種彼此吸引的力,其大小與兩個物體質量的乘積成正比,而與兩個物體間距離的平方成反比。這種力普遍存在於整個宇宙。比如,讓成熟的蘋果從樹上掉下來的就是這種力。再比如,讓月球繞著地球轉,以及讓各大行星繞著太陽轉的也是這種力。這種無處不在的吸引力被稱為萬有引力。

這幾條定律都很簡單,對不對?但你可不要小看這幾條簡單的定律。用它們,我們可以預言太陽何時會從東方升起,也可以預言月亮什麼時候盈,什麼時候缺。而且這些預言能精確到分、秒,甚至更短的時間。在宏觀世界,也就是我們日常生活的世界中,大到日月星辰,中到江河湖海,小到柴米油鹽,全都可以用牛頓爵士發現的這幾條定律來精確地描述。由於牛頓力學的巨大成功,二十世紀前的科學家普遍相信,牛頓三定律和萬有引力定律就是主宰整個宇宙的終極真理。其中的代表人物就是法國著名數學家、物理學家拉普拉斯﹝Pierre-Simon de Laplace,一七四九∼一八二七年﹞。

 

摘自 李淼《 讀懂量子力學的第一本書》/漫遊者文化 

 

圖片提供:漫遊者文化

數位編輯:吳佩珊、黃小羽

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