什麼是物理學?

這問題看起來很難回答,在學習物理之前談這問題似乎是相當不智的;就好像是跟沒戀愛經驗的小鬼聊聊什麼是愛情。不過呢,其實這並沒有我們所想的那麼難理解。讓我們先從「剪刀石頭布」開始了解到底什麼是物理學吧!

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 什麼?剪刀石頭布跟物理學有關?嗯,就某種程度上而言,是有那麼一點點關係。讓我們作個假設,假設你從沒玩過「剪刀石頭布」,有天你看見同學在玩「剪刀石頭布」。當時因為大家都在玩,所以沒機會告訴你它的遊戲規則,你只好耐著性子觀察大家怎麼出招以及相對的輸贏。用不了多久,你就發現它的遊戲規則是:

  1. 這是一對一的遊戲
  2. 玩家必須盡可能地同時出招,避免出招前先看到對方出的招
  3. 只能出剪刀、石頭或布,不能出其他的手勢

另外,輸贏規則是:石頭贏剪刀、剪刀贏布、布贏石頭

如果你看得懂我在說什麼,那你就已經抓到「物理學」的精髓拉!在「剪刀石頭布」的遊戲裡,不可能出現「只出大拇指」、「食指與中指一起出」的招數;也就是說,這遊戲一定遵從著(遊戲)規則走。要是坐你旁邊的同學的悟性沒你高,他可能開始進行「剪刀石頭布」的研究,並成為一名「剪刀石頭布學家」。就像我,要是沒人教我怎麼玩象棋(沒人跟我說它的遊戲規則),那我一定要花許多時間觀察每支棋的走法,並記錄每支棋的移動方式、每顆棋子如何被吃以及如何吃別的棋子,等諸如此類的東西,並加以推理,才能找到完整的遊戲規則。

觀察「剪刀石頭布」的遊戲過程
遊戲現象 遊戲結果
小明出剪刀,小胖出石頭 小明輸,小胖贏
小明出剪刀,小胖出剪刀 平手
小明出石頭,小胖出布 小明輸,小胖贏
小明出布,小胖出布 平手
小明出剪刀,小胖出布 小明贏,小胖輸
觀察「象棋」的遊戲過程
遊戲現象 遊戲結果
紅炮由三路平移至九路,接著,黑車由8路向前至7路。
紅兵由七路平移至八路,吃掉黑砲。黑馬從第4條直線上向前再轉左,走到第5條直線上。
紅仕由九宮格內的右上角,沿著斜線往左下移至正中央。黑車由第5路向前至第9路,吃掉紅傌。
紅兵由第四路平移至第五路,吃掉將。 紅方獲勝

象棋盤與棋子的關係,就相當於我們的世界(或宇宙、大自然)與世間萬物的關係。唯一的差別是,剪刀石頭布與象棋有結束的時候—也就是有所謂的遊戲結果,輸與贏;我們的自然並沒有結果,我們的大自然有「運作現象」與背後的「運作規則」,但沒有所謂的「運作結果」。而物理學,就是一門透過不斷地觀察自然現象以探索自然運作規則(或說自然規律)的學問。

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。

常見的規律有哪些呢?你可以記錄每天發生的自然現象,你就會發現很多規律,例如[1]

  • 太陽每天「總是」東升西落,從不東升東落。
  • 瀑布上的水「總是」由高處往低處流,從不由低處往高處流。
  • 冰塊加熱後「總是」融化成水,從不融化成iPhone 5s。
  • 摩擦過後的墊板總是能吸引頭髮。
  • 磁鐵能夠吸引迴紋針,但不能吸寶特瓶。

Thales of Miletus希臘人早在西元前600年前就發現自然是有規律的,那位希臘人叫做泰勒斯(Thales of Miletus, 624-546 BC),他被稱為西方的「科學與哲學之祖」。在亞里斯多德的⟪政治學⟫裡就有一則關於自然規律的傳說:

當時的人們看到泰勒斯很窮,就覺得哲學毫無用處(在當時,科學是哲學的分支)。後來,泰勒斯為了證明哲學的用處,他透過觀察天象即預測第二年橄欖會大豐收。於是用全部積蓄租下了榨橄欖油的機器。等到隔年橄欖豐收,人們紛紛向他租借榨油的機器,他藉此大賺一筆。

由「我們的世界有規律」的事實可知,我們活在一個有秩序的世界;自然不是反覆無常的,而是被如同法律般的規律掌握著。一方面,就某種程度而言,屬於自然的我們是不自由的(你不能瞬間移動、施展龜派氣功波),而且我們也似乎無法追問自然規律存在的原因(為什麼我不能瞬間移動?)[2]。另一方面,這也是令人心安的事,正因為自然是有規律的,所以我們能夠依照自然規律而預測各種自然現象,以盡力避開天然災害(颱風、地震、海嘯等),我相信正是這種試著讓人類安穩活下去的動機開創了物理學。時至今日,我們一直都很依賴著自然現象的規律性。認真想想,要是洗澡水忽冷忽熱、你家的牆壁忽軟忽硬、所有食物裡都會隨機出現有毒物質,那這個反覆無常的世界會變得怎樣?


[1] 這裡的常見規律例子還不足以被稱為「物理定律」。至於還需要什麼條件,才能使一般規律成為「物理定律」,那就超出本文範圍了。有興趣的讀者,請參考陳瑞麟教授的《科學哲學:假設的推理》與《科學哲學:理論與歷史》。
[2] 如果你說,這是因為瞬間移動會違背相對論或某某物理定律,那就是誤會一場了。我的意思就是問:為什麼有如此這般的物理定律?為什麼明天仍然有萬有引力?為什麼我們測量到的光速總是一樣大,而非忽大忽小呢?


關於〈什麼是物理學?〉,寫得還可以嗎?

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關於 Ethan

79 年次,桃園人,現居住於台北士林。台大化工系、物理系學士,目前就讀於台大電子工程學研究所。自 2008 年開始接觸高中物理家教,現已接過至少 62 位家教學生。教過國高中數學、物理、化學與大學的普通物理學。致力於學習大量知識並同時貢獻於社會。近年關注的社會議題主要為教育、物理教育、勞基法修訂與工會成立議題。此外,我的研究興趣是物理史及其哲學,以及它們在科學教育上的應用。未來想學習法文、拉丁文與德文,以供我研究物理史與增廣見聞用。

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