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物理學習小叮嚀~解決物理問題的方法——以牛頓第三定律之悖論為例

一般中學生都學過牛頓第三定律:「兩個物體間的交互作用力,永遠量值相同但方向相反。」試想當甲、乙隊伍進行拔河比賽時,如果兩隊的重量相同、兩隊與地面間的摩擦係數也相同,雙方在比賽過程中不跌倒、緊握繩子不鬆動,那麼要如何決定哪一隊獲勝呢?雖然兩隊隊員的體能有所不同,但甲隊施予乙隊多少力,乙隊同時也會回饋給甲隊等量的反作用力。最終,兩隊不是保持靜止,就是同時被拉動,雙方理應難分軒輊。但在現實世界的拔河比賽中,獲勝的隊伍確實可以把對方緩緩拉過來,難道牛頓第三定律不成立了?

物理就是「萬物的道理」,一個人學習物理的興趣與動機,通常是建立在對萬物的好奇心上,想要進一步了解表象背後的運作機制、尋求解釋。「物理學」是將千變萬化的自然現象歸因於基本的物理原理,因此只要透過正確的物理邏輯,就可以解決或解釋自然界的一切現象。以目前的自然科學而言,大到宇宙、小到原子,萬物無不服膺於物理原理,所以一旦學會物理,就等於擁有一把萬能鑰匙,可以打開世界上所有未知領域的門。若能掌握物理的精髓,往往可以用一個原理或公式,破解許多的物理現象或難題。在學習物理的過程中,如果體驗到上述的經驗,往往可以比學習其他科目獲得更大的樂趣。

在準備升學考試的過程中,物理是令許多人頭痛的科目,主要原因在於很多人只想要「快速」解決題目、「快速」獲得答案,對於物理問題沒有深入思考,只能學到物理的皮毛,一旦問題的情境出現變化,就束手無策。正確學習物理的方式,一開始要沉澱思緒,不斷問自己「如果用另外一種想法來解決,可行嗎?」「為什麼用別的方法會解不出來?」「如果問題的條件改變了,同樣的解法仍然適用嗎?」如果對於一個物理問題不斷旁敲側擊之下,都可以提出合理圓滿的解釋,那就是真正地學到物理的精髓。

有的時候「錯誤的想法」比「正確的想法」更有價值。學習物理的過程中,如果一味地接受「正確的想法」,看起來學習得很有「效率」,但一直身處舒適圈中,長期缺乏思維的衝擊與刺激,反而看不見自身物理觀念的缺陷。反觀,原本有錯誤想法的人,一定潛藏了學習的盲點,如果可以用自身「錯誤的想法」去挑戰「正確的想法」,在歷經物理論證的攻防中,必定能激盪出精彩的火花,得到更多元的反思與回饋。透過這種方式修正原本的錯誤,更能釐清問題的癥結,獲得更深入的物理觀念。

綜觀整個物理的發展史,哥白尼的「日心說」挑戰托勒密的「地心說」、惠更斯「光的波動說」挑戰牛頓「光的微粒說」、愛因斯坦用「上帝不會擲骰子」挑戰波耳在量子力學中的機率詮釋。在科學發展的過程中,誰能代表真理呢?所謂的真理,並不是來自哪一位物理大師的說法,也不是來自教科書上的標準答案。我們站在客觀的事實基礎上,進行嚴謹的邏輯推理,經歷無數的挑戰與批判,最終仍屹立不搖存活下來的想法,才是我們所相信的真理。

回到文章的開頭,牛頓第三定律是正確的嗎?拔河比賽是不是一個推翻牛頓第三定律的例子?若牛頓第三定律是正確的,拔河比賽的輸贏是如何產生的?若牛頓第三定律不正確,我們的物理世界將會如何改變?也許渴求真理的人期待謎底的揭曉,但這篇文章並不會提供「標準答案」。試想,任何提供「標準答案」的人,當初也沒有人告訴他「恭喜你!你答對了!」那他是如何確定自己的答案一定是正確的呢?所有物理的問題,答案都來自於物理原理。只要我們根據客觀的事實,進行縝密的推理、批判性思考,以不同的觀點進行交互詰問,每個人都能像一位科學偵探,抽絲剝繭找出問題的真相。

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