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為甚麼物理學家需要讀歷史?只做研究不行嗎?—《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2016/12/13 ・3933字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

文/常雲惠|清華大學歷史研究所碩士班,科技史組肄業,紐西蘭懷卡托大學(University of Waikato)運動休閒研究所學士後。紐西蘭公務員,目前定居紐西蘭,為科普讀物譯者

本文是由任教於紐約大學加勒廷自主學習學院的(New York University’s Gallatin School of Individualized Study)科學史教授史丹利(Matt Stanley)所著。並發表於今年七月的《今日物理》(Physics Today)期刊上。

史丹利教授在文章一開始便指出,物理學家的養成教育不夠完整。而缺乏的這個部分,正是個毫無章法,且讓每件事都變得困難的區塊。亦即,個人與社群之間的溝通,特別是需要釐清誤解、說服對手,甚至與不願配合的盟友打交道的能力。由於物理學者們缺乏這方面的認識,以至於經常忽略「人事問題」對於科學研究的影響力。因而,他們經常得透過艱辛的過程,才逐漸體會到這個層面的重要性。其實,他們原是可以透過學習而認識這個偕同合作的真實世界,而非那個理想化、遺世而獨立的虛幻世界。

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可以透過學習而認識這個偕同合作的真實世界,而非那個理想化、遺世而獨立的虛幻世界。圖 / 物理雙月刊提供

接著,史丹利教授建言,歷史「可以幫助」改善這個狀態。他指出,科學史這個專門研究人與科學的學門,在面對科研的實務層面時,可以提供物理學家更多樣的思考工具,來彌補這個區塊的不足。

接下來,史丹利教授分就七個方面,深入說明科學史研究對科學進展的重要性:

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史丹利教授建言,歷史「可以幫助」改善這個狀態。圖 / 物理雙月刊提供

一、物理研究是一項社會集體努力的活動

研究科學的是人。物理學家跟一般人一樣有個人好惡;他們會捍衛家園,也有政治立場,哲學偏好,乃至於個人情感。因此,學習科學史除了有助於了解物理學家,並非只是一群不同於常人,擁有理性思考的天才之外,也令物理學變得更平易近人,貼近日常生活經驗。

初入門的物理學生,透過科學史得以管窺物理學家的內心世界,才不至於將物理學者看成計算機器,而逐漸失去學習物理的興致與動機。再者,希望能夠一窺堂奧的物理初學者,更可以透過科學史而進一步學習與了解物理學家及其社群之間的互動以及溝通的重要性。

二、物理的本質很少是一目了然的

自然界很少給出一目了然的答案。教科書所呈現出來不證自明的實驗,以及最多只需幾頁數學式便可證明的理論,事實上都是千錘百練後的結果。科學家們之所以將答案背後的繁瑣工作加以淡化,只因為他們認為,簡潔比複雜性更具說服力。

史丹利教授以「密立根油滴實驗」為例,其實驗室繁瑣的數據記錄本,就是最好的佐證。科學研究的實務工作,是繁瑣而複雜的,絕非像教科書所呈現的「事後諸葛」那樣,只是簡潔的邏輯推理。因此,擁有物理學史的素養,莘莘學子們更能夠理解,科學問題的解決,往往不是單一途徑,在不同時空背景之下,各個理論會呈現出不同的重要性,也會影響物理社群的取捨與偏好。

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科學研究的實務工作,是繁瑣而複雜的,絕非像教科書所呈現的「事後諸葛」那樣,只是簡潔的邏輯推理。圖 / By Suzette – www.suzette.nu @ flickr, CC BY 2.0

量子電動力學的發展史,是另一個絕佳的例子。戴森(Freeman Dyson)向大家證明了,費曼(Richard Feynman)、施溫格(Julian Schwinger)和朝永振一郎(Sin-itito Tomonaga)三人的重整化方法,都是等效的,沒有人是錯的,只是需要換個框架,重新來審視他們的思考方法而已。以這三人合得 1965 年的諾貝爾獎為標誌,量子電動力學算是正式有了基礎,解決了從 1920 年代狄拉克(Paul Dirac)以來,經歷 1930、1940 年代的一些困難,時至今日,量子電動力學已經成了量子場論研究的堅實基礎。

三、物理研究需要各式各樣的人

創造力,可以把錯綜複雜的自然現象,轉換成優美的物理觀念。然而,我們從來無法事先得知,需要有怎樣詭異(或天才)的想法,才能幫助我們釐清某些讓人困惑的觀察或實驗數據。

以熱力學第二定律為例,克爾文爵士(Lord Kelvin)並不是坐在書桌前,憑空想像出這個理論的。他不僅帶著對廢棄物處理與工程效率的痴迷,也帶著他在宗教上的信仰背景,例如:聖經的詩篇 102,「天地都要如外衣漸漸舊了」的詩句,啟發了他對宇宙熱寂(heat death)的研究,令他採取不同於德國物理學家的途徑,而成為熱力學第二定律的主要奠基者之一。

此外,科學史也告訴我們,許多解決物理問題的關鍵想法,經常來自風馬牛不相及的領域或學門。例如,馬克斯威爾 (James Clerk Maxwell)所提出的「統計變異」觀念,是從歷史學家身上得到的靈感。而粒子物理學者阿爾瓦雷茲 (Luis Alvarez)運用他在同位素研究的專長,幫助兒子找到恐龍滅絕的因素,也是彰顯了跨學科有益於科學發展的例證。

此外,他又指出打破族裔,文化傳統認定的重要性。例如,被排拒在男性白人科學社群之外,卻發明核乳膠技術的女性猶太科學家布勞 (Marietta Blau),以及因出身為猶太族裔,而無法進哥倫比亞大學就讀的物理學者費曼等,許多非白人物理學家,都對科學發展做出巨大貢獻。因此,知識與制度的多樣性,對於促進科學發展至關緊要,在物理發展史上,類似的例證,不勝枚舉。

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發明核乳膠技術的女性猶太科學家布勞。圖 / By Source, Fair use, wikimedia commons

四、物理的研究是進行式而非完成式

觀念、想法與詮釋的多樣性,提醒著我們,物理是處於「進行式」而「完成式」。所有的科學知識,都只是「暫時的」。對於某個問題,我們永遠可以找到新的方法或觀點,來試著解決它。而在這個過程中,我們也永遠可以從中學到一些新的東西。在物理學史上,已有太多的例子,讓我們無法宣稱,我們目前已知的理論是究竟的、是永恆的。

有人或許會擔心,承認科學的這種「不確定」性,會讓它變得較不重要,或失去對大眾的吸引力。然而,事實上是完全相反的。試著想像有兩位工人,一位正在蓋大教堂,一位則是在快要完成的一面牆上,砌上最後的幾塊磚,哪一位的工作會比較吸引人呢?正因為物理科學的研究尚未完整,而且還有很大的發展空間,這反倒鼓舞著年輕學子與研究學者的豪情壯志與好奇心。

因此,若物理教學或科學教科書,可以更確切地反映出科學研究的真實面貌,包括對現有理論的質疑或不確定性,或是教導學生如何根據科學證據來思考,而非著重在羅列已知的理論與學說。畢竟,能鼓動人心去追求的,是發掘未知,除了知道「有什麼」(What)之外,我們更想知道的是「還有什麼」(What else?)以及「如果這樣,會變成怎樣?」(What if?)

五、物理的概念並非一成不變

我們一般人多半會假設,當下的狀態是一種常態。然而,歷史卻清楚地呈現出過去與現在的不同。如果我們接受現在的物理與過去的不同,那麼我們就不難接受,未來的物理,必定會不同於現在的面貌。

透過歷史訓練,個人在看待既有的思維時,更能夠跳脫框架思考,而非只是理所當然地接受現狀。而且透過研讀史料的啟發,新進科學家或可發現有待開發的新領域,或重新研究因為某種原因而遭到棄置的冷門領域。在其眾多舉證當中,年輕時任職專利局的愛因斯坦,如何受到奧地利捷克實驗物理學家馬赫 (Ernst Mach)的科學史論著影響,以至於看待科學原理時更具批判性,應是眾所周知的例子之一。

六、物理研究的規則並不死板

第一次接觸科學史的人,經常對於科學的實務操作,並非如課堂上教導的科學方法而感到驚訝不已。科學家,就如愛因斯坦晚年反省時所描述的,是「不擇手段的機會主義者」,因為他們並不遵循死板的規則,進行線性的解題。相反地,他們可能是從一個假設、奇怪的觀測或是某個實驗中的異例開始,並根據可以收齊到手的證據,做出完美的解釋罷了。

例如,當天王星的運行軌道與牛頓的重力理論不相符時,較早期的科學家提出的解釋是,因為受到潛藏在黑暗中的新星(即海王星)重力影響的緣故。因此,隨後當水星軌道與重力理論牴觸時,天文學家便因循同樣的解決辦法,致力於尋找潛藏在太陽光中的「火神星」(Vulcan)。許多科學發現的故事幫助我們了解,事實上,所謂的「科學方法」並非是一套神聖不可違背的標準作業程序。

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當天王星的運行軌道與牛頓的重力理論不相符時,較早期的科學家提出的解釋是,因為受到潛藏在黑暗中的新星(即海王星)重力影響的緣故。圖 / By NASA,公有領域,wikimedia commons

七、屏棄「昨非今是」的科學史觀

歷史學有一個重要的的思維:為什麼古人視為正確的想法,我們現在卻抱持相反的觀點?在物理學史上,最著名的例子就是,透過牛頓力學眼光來看,亞里斯多德物理學簡直一無是處。事實上,亞里斯多德並非不能理解牛頓力學,他只是站在完全不同的觀點去看同樣的現象罷了。換句話說,古人不過是關心不同的議題,並嘗試以各種不同的方式尋求解答罷了。如果認識到這一點,我們就不會犯下如英國「輝格史學派」(Whig history)以今非古的錯誤。而能夠理解科學的本質是不斷提問的過程,而非一連串的聲明與陳述。這些提問不只會繼續不斷地發生,並有助於我們理解那些問題已經被討論過。

 

史丹利教授於結論中,再一次強調科學史的趣味性,以及將其融入科學家養成教育,或者非科學主修生的重要性與意義。期能幫助科學家成為更好的公民,甚至重新探索已知的未知。

 

原始論文:


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 10 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站


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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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