怎麼學物理呢?

學物理的人與物理學家

我在⟨物理⟩有提到:

物理學是一門透過觀察自然現象,推理大自然背後的運作規律的學問。

字面上看來,學習物理就是指:

  1. 整天坐在天橋上看著橋下發生的各種自然現象,又或是上山下海欣賞各種自然景色。總之,就是學著如何「觀察與欣賞大自然」。
  2. 將每天對大自然的觀察與欣賞作確實的記錄,例如寫下發生的事情、拍下各種自然現象的發生過程。
  3. 坐在書桌前問自己:這些現象背後有沒有什麼規則可循?例如,不論我在何處,不論我拿起什麼東西,只要我放開手,這些東西都會掉下來。所以似乎可以得到「萬物皆會下墜」的自然規則。

觀察 ⇒ 記錄 ⇒ 找規則

如果你真的這麼做了,那麼你就成為一名物理學家啦!只不過,是一名有點「落伍」的物理學家。因為,早在 2600 年前(西元前 600 年),甚至是更早以前,就已經有人類這麼做了,而歷史上記載最早這麼做的人是泰勒斯(Thales of Miletus)。所以,我建議你跟我一樣,讓我們一起站在巨人的肩膀上探索自然吧!除非你覺得在你有生之年內(甚至只是這一、兩年的物理課),不但能夠自己發現這 2600 年來人類早發現的科學知識,還能超越過去的一切、發現更深層的自然運作規律。

我所謂的「站在巨人的肩膀上探索自然」的意思是,

我們應該先了解過去這 2600 年來,偉大的物理學家們已發現的物理知識。再以這些知識為基礎,繼續探索自然的奧秘。

因為很少人能在巨人肩膀上站得穩,許多人站沒幾秒就掉下來了,所以我們必須分兩階段進行。第一階段就是了解已被發現的物理定律,我想這就是正在學習物理的你所處的階段。第二階段則是以當代物理知識為基礎,繼續探索自然奧秘的物理學家[1]

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學習物理的方法

什麼是學習物理?現在我已能回答這問題了:

理解已被發現的物理定律的過程

不過呢,因為我們的時間並不多,要在短短幾年內了解所有的物理定律,未免太貪心。所以,我們將先試著學習最貼近生活,以及最實用的物理定律。對了,別忘了我在⟨物理⟩說過的「象棋」的類比:物理定律相當於象棋的遊戲規則。有人會想,遊戲規則又有什麼難學的?難道光是講解「象棋的遊戲規則」就要花好幾個月嗎?不過就是「車可以直直衝」、「象要走田的對角」、「兵在過河只能前進,過河後就可前進與平移,但仍不能後退」等諸如此類的規則而已。的確,我們可以直接將已被前人發現到的物理定律(自然規則)列給你看,讓我們先來試著了解以下這條遊戲規則—牛頓的慣性定律:

物體不受力時,會延續其運動狀態—在直線上作等速運動。而被外力強迫改變運動狀態時,仍會以它僅存的自由鍥而不捨地維持原先的運動狀態。

如果我是你,我可能會問:「運動狀態是什麼意思?秒針等速旋轉是一種等速運動嗎?」顯然,物理定律並不是一般人能夠理解的,就好像三歲小孩很難懂「己所不欲,勿施於人」。更多時候,物理定律都是數學符號組成的。因此,

  1. 我們必須教你一套描述自然的數學語言,這相當於象棋中的「兵、車、…」。你無法在不知道這些棋子名稱的前提下,理解它的遊戲規則。另外一點是,大自然總是很難準確描述,例如,那台車開的很快,究竟是多快?那爆炸聲好大聲,究竟有多大聲?知道該怎麼描述自然後,我們就能開始試著理解物理定律。
  2. 因為物理定律是大自然的運作規則,所以檢驗你究竟是否成功理解的最佳方法,就是(1)試著用物理定律解釋各現象為何如此這般地發生(2)檢查生活中各現象是否真的按照物理定律所預測的那樣發生。(1)、(2)兩點就是你應該堅持去做的事情,也是市面上各物理題目的價值。

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[1] 這裡只是作粗略的劃分,畢竟我們目前所學的物理知識,對那些物理學家而言都只算是科學常識。儘管物理學家們也會一直學習當代的各種物理知識,但目前的劃分有助於我們釐清學習目標,也就是「理解已被發現許久的物理定律」,而非自己從零開始研究大自然。

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