形上集

每位物理老師都應該知道的一則故事

2013/03/01 高涌泉
越基本的自然現象,越無從去論「懂」或「不懂」。
知名物理學家費曼接受訪問時,談到他的父親,說了這麼一則故事:

我父親教我要注意事情。有天我在玩一種叫做「快速貨車」的玩具,它是一輛小貨車,走在軌道上,小孩可以拉著走。當我拉它向前,我注意到車斗上的球有點奇怪,我跑去找父親:「嘿,爸,我注意到一件事,當我拉拖車向前,車斗上的球會滾向後面,但如果我正拉著它走,忽然停下來,球就會滾到車斗的前面,這是為什麼?」我父親回說:「這,沒人知道;一個一般性原理是正在前進的東西會傾向持續前進下去,而靜止的東西會想要繼續停在那裡,除非你用力拉它。這種傾向稱為『慣性』,可是沒有人懂為什麼會這樣!」

我父親這種理解可是非常深刻的理解:他不是只告訴我一個名稱而已,他很清楚「知道某件事的名稱」和「知道某件事」完全是兩碼子事。他又繼續說:「如果你仔細看,你會發現球並沒有跑向車斗後面,而是你正拉向前的車斗往前去撞上球,球其實是停著不動的;或者嚴格講,球會因摩擦力被拖著向前,而不是往後跑。」

所以我就跑回玩具貨車,把球放好,然後從車下面去拉它,並從旁邊觀察。他說的的確是對的——當我拉車子向前時,球並沒有向後跑,球相對於車斗是向後跑了,相對於地面卻是稍微前進一點點。這就是我父親教育我的方式,用這類例子與討論;沒有壓力,只是有趣的討論。

以上這個故事,台灣的每位物理老師都應該知道!為什麼?這故事的意義不在於費曼的父親能夠善用機會、適時啟發,而在於「沒有人懂慣性原理」這種費曼所謂「非常深刻的理解」。「沒人懂」這句話台灣物理老師是說不出口的,因為台灣物理老師所諄諄教誨的是,學生如果要學好物理,就要弄懂物理原理,不要死背。而喜歡物理的學生也正是因為物理是可以弄懂的、不像化學或生物常常要死記一些東西,才喜歡物理的。因此台灣物理老師一般不會像費曼父親那樣,一開始就強調物理原理本身其實是「沒人懂」的。

那麼到底物理課要教大家懂的東西是什麼?物理課本的主要內容大致上是所謂的物理定律,以及從這些定律出發、用數學推導出來的結果。譬如說,學生會學到牛頓三大運動定律,並且學習如何以運動定律演算出砲彈的飛行軌跡。學生如果能恰當應用各種物理原理或定律,推導出正確的答案,老師大致就會認為學生弄「懂」了物理。既然只要能算出正確答案就能在台灣目前(從中學到研究所)各級考試獲得高分,數學演算當然就成為物理課的重點。這麼一來,(不容易考的)物理定律的意義與來源就不是師生追究的重點,而老師的教學重點也不會是說明如何從自然現象歸納、推論、猜測出物理原理與定律。

費曼父親所謂「沒人懂」慣性原理的意思就是慣性是自然現象,而自然現象「就是那樣子」,不是我們可以從邏輯去推導的,因此也就「只能知道而不能懂」。台灣當前物理教育的重心放在物理定律的推論,也就不在意費曼重視的那種對於物理原理的意義的「非常深刻的理解」。

目前高中物理的「宇宙膨脹」、「弱作用β衰變」等題材,讓一些物理老師擔心會過於抽象,學生無法弄懂。其實「宇宙膨脹」與「弱作用β衰變」都是自然現象,在最深刻的層次上,都屬於費曼父親所謂不能懂的事情,其抽象程度和學生在國中就學過的「慣性」是同一等級的。老師能夠解說的是,我們究竟是如何知道宇宙在膨脹、原子核會β衰變等現象;以宇宙膨脹為例,答案當然是我們偵測來自極遠處星系的光,發現其光譜有紅移(即波長變長了),依據都卜勒效應可以推論極遠處星系正在遠離我們,表示宇宙正在膨脹。這些推論完全不涉及困難數學,並無玄奧、抽象之處。我們要牢記的是物理的基礎是自然現象,而越基本的現象我們越無從去論懂或不懂。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2013年第133期3月號】


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