理查.費曼是一個奇才型的物理學家、諾貝爾物理學獎得主,在物理界中,他的名聲遠撥,同時他特立獨行、風趣幽默的個性,也常為人津津樂道。知名著作有:《別鬧了,費曼先生》、《你管別人怎麼想》、《費曼物理學講義》等等。在物理教學方面,他講授的方式有趣而獨到,彷彿將物理學像一件藝術品般幫人細細品味箇中奧妙,讓人體驗《物理之美》(即費曼著作之一)。
《費曼的6堂Easy物理課》是費曼1960年代在加州理工學院所授課程的精選內容,編成的《費曼物理學講義》,其中精選出的6篇,旨在以深入淺出的方式介紹物理學的核心概念。費曼以其獨特的教學風格,將複雜的物理理論轉化為易於理解的內容,讓讀者能夠從中獲得對物理世界的深刻理解。
第1堂課 運動中的原子
◎假設有那麼一天,地球發生巨大災難, 把已有的科學知識悉數摧毀, 只剩下一句話,讓僥倖活下來的人傳遞給子孫。 什麼樣的句子能夠以最少的字,包含最多的知識呢? 我相信那就是: 「一切東西皆由原子構成」。
◎溫度事實上就是原子、分子的振動程度。
◎一定數量分子的情況下,如果空間變小,分子之間的碰撞必定更激烈,於是溫度會上升。反之亦然,如果空間增加,空間內的分子便逐漸冷卻。
◎呈上,這也是為何大多數物質在加熱之後,體積會上升,因為分子振動,佔的空間更大。但水除外,這是因為分子結構的因素所致。
◎不同數量的[質子]所構成的[原子],形成了不同元素,也就是[分子]。而不同的分子,會呈現出不同性質。然而這當中的細部作用,可以用物理學的理論來解釋化學。
◎原子由於失去或得到一個電子,而成為[離子],因為電子換位的緣故,造成吸力,因此兩個原子緊密連在一起,形成分子。
◎化學反應指的是原本的分子組合型態,變化成另一種分子組合型態。比如固態的碳與氧結合,形成一氧化碳氣體。(物理或化學變化其實是人後天加設的,大自然本身並無學科疆界)
第2堂課 基本物理學
◎從複雜理論歸納理論的3個方法:1. 相對單純的現象,試圖觀察與歸納規則。2. 試著假設簡單規則,看看它是否在各現象中吻合。3. 試著歸納「大致」的自然現象。這就是物理學一步步發展過來的方法,一步步打造概念和理論,解釋自然中發生的事情。
◎兩物之間,因為電荷屬性不同而發生的吸引力,是為電力。電力與磁力是一體兩面,電力形成的電場,即為磁場。
◎兩物之間,因質量而產生的引力,是為重力。
◎原子中質子的數量(與電子數量等同)決定該原子為何種元素。
◎電磁場中的波動頻率就如同水波一般,光也是一種電磁波,廣播也是種電磁波,電磁波之間的差異只有頻率。
◎電磁波的頻率從低的廣播頻率,到可見光的紅外線到紫外線,再往上則是X射線等。
◎量子物理學運作的模式與古典物理學相當不同。電子與質子之間在微觀的世界中以強核力和弱核力來運作。
◎在量子力學中,波與粒子同時有可能發生,或者說,場的波動行為和粒子行為並沒有什麼分別,端看測量的方式及其結果。
◎其中,粒子的位置和其行動速率必定具有不確定性,兩者不確定性的乘積必定大於一個常數。
第3堂課 物理學與其他科學的關係
◎原則上,化學的所有現象都可以用量子力學加以解釋。熱力學即是用統計力學來研究熱的現象。有機化學研究有機物化學作用,但有機化學和無機化學並無實質的區分,只是有機物運作的行為較為複雜。
◎如果我們觀察一杯酒,觀察得夠仔細的話,我們真的能從它裡面看到我們這個宇宙的全部。它包含著物理學所探討的各種事物:旋轉的液體,不斷隨著杯子外的風向與氣候在改變蒸發速率, 杯子裡的各式各樣看得見的倒影,以及我們憑想像加上的原子,可說是一杯之內,包羅萬象。而杯子本身,是從地球岩石中精製出來,我們藉由岩石的成分,揭開了宇宙年齡和恆星演化的秘密。此外,酒裡面為何會有一大批奇怪的化合物?它們都是打哪兒來的? 其中有個別化學反應的酵素,也就是酶,有參與反應的原料,也有反應得到的成品。
◎我們為了方便起見,在心目中把這杯酒,也就是這個宇宙,劃分開來,成為許多學門,諸如物理學、生物學、地質學、天文學、 心理學……等等。不過得牢記心中,大自然可不知道有這個分法! 所以讓我們再度把它們還原成一體,且不要忘記當初為什麼要把它們分開。
第4堂課 能量守恆
◎我們有重力、動能、熱能、彈性能、電能、化學能、輻射能、核能、質量能等等,挼果我們把這些能量加總起來,計算它們的形勢轉變,我們會發現其總和終究不變。
◎除了能量守恆之外,電荷也是守恆,正電荷與負電荷總和為零。
第5堂課 重力理論
◎行星繞著恆星運轉,以恆星為圓心、軌道為圓周,每單位時間經過的周長與圓心構成的圓錐形面積皆為恆等。
◎重力的力量與距離平方成反比,但是即便距離非常遙遠、重力微乎其微,卻仍然有作用。從宇宙中銀河系的螺旋聚集,便可看出。
◎兩電子之間的電力與重力相比,比例約為10的42次分之一。有趣的是,如果以光穿過一個質子的時間做為基本單位,則宇宙的年齡也約為10的42次分。這似乎意味著重力和宇宙的年齡有相關性,有可能重力常數將隨著宇宙年齡增加而略微減少。
第6堂課 量子行為
◎在光子雙狹縫實驗中,如果我們不對光子通過的路徑進行測量,則光子最後落點位置的機率分布會呈波的[干涉]現象。但如果對光子通過的路徑進行測量,則光子最後落點位置的機率分布會呈粒子的分布現象。
最後
費曼自我期許的教學理念是:
第一件事是先想清楚,你為什麼要求學生學習這門課,以及你要他們知道哪些東西。教學的方法則隨興之所至,大致上是依據常識判斷的結果。
本來費曼開課和撰寫物理學講義的初衷,是為了激發初識物理學的心聲,能對此學科更感興趣,而非意興闌珊。然而其後續帶來的結果有所不同,不少初入此學科的學生對費曼獨到的教學方式似乎未能盡能領略,但費曼的教學反而對最聰明、積極的學生和教授帶來許多啟發。這似乎是費曼本人也始料未及的。
總言之,費曼不落窠臼、始終鼓勵批判性思考的教學方式,深深影響了許多人。