《原來科學家這樣想1：如果你跑得和光一樣快》

導讀? 為有源頭活水來——閱讀科普樂趣多? 簡麗賢�北一女中物理科教師

序??? 教孩子像科學家一樣思考



第1章 不可思議的光速

伽利略測量光速�羅默證明光速有限�菲左成功測量出光速�如此怪異的光速



第2章 時間和長度都是相對

假如我跟光跑得一樣快�時間不是永恆不變�檢驗時間相對性的實驗�相對論不能長生不老，但可以一夜暴富�物體的長度也是相對



第3章 跟著「旅行者號」和「新視野號」遨遊太陽系

「旅行者號」的遠征�拜訪木星�拜訪土星�從太空看地球的最佳照片�拜訪天王星和

海王星�「新視野號」的遠征�揭開冥王星的神祕面紗



第4章 萬有引力和重力彈弓效應

牛頓的思想實驗�萬有引力�重力彈弓效應



第5章 一對雙胞胎引發的宇宙謎案

孿生子弔詭�等效原理



第6章 黑洞、白洞和蟲洞

彎曲時空�黑洞、白洞和蟲洞



第7章 宇宙大霹靂和重力波

哈伯的重大發現�膨脹的宇宙�宇宙大霹靂�重力波



第8章 時間旅行有可能嗎？

飛向未來有可能�超光速不可能�時間旅行的一種可能性�時間旅行可能產生邏輯矛盾



第9章 暗物質和暗能量

黑暗雙俠�暗物質之謎�暗能量之謎



第10章 令人驚嘆的宇宙

太陽系有多大�銀河系有多大�宇宙有多大�比科學故事更重要的是科學精神



《原來科學家這樣想2：為什麼量子不能被複製》

導讀? 用不一樣的角度看世界? 曾明騰�熱血老師

序??? 教孩子像科學家一樣思考



第1章 光是粒子還是波？

牛頓：光的微粒說�惠更斯：光的波動說�爭論焦點：折射�雙狹縫干涉實驗�帕松光斑�波動派完勝�證據為王



第2章 光電效應和黑體輻射

光電效應�波動學說的危機�鋼水的溫度�黑體輻射公式�量子化幽靈�波粒二象性�好奇不會害死貓



第3章 波耳的模型

轟擊原子�原子的結構�波耳對導師的疑慮�波耳模型的成功與煩惱�薛丁格波動方程�波耳不買賬�科學不愛求同存異



第4章 不確定性原理

海森堡�電子在哪裡？�不確定性原理�波耳的奇思妙想�量子力學第一原理�測量是一切科學研究的基礎



第5章 要命的雙狹縫

既是粒子又是波�繞射與干涉�如果光子是小球�左縫還是右縫�用電子代替光子�大膽假設，小心求證



第6章 EPR悖論

電子的角動量和自旋態�電子飛向偏振器的怪異結果�電子自旋態的不確定性�波耳的反擊�科學離不開實驗



第7章 量子糾纏

何為客觀實在性�貝爾不等式�愛因斯坦和波耳的分歧�上帝的判決�量子糾纏�科學離不開數學



第8章 量子電腦

量子糾纏鞋�傳統電腦配鑰匙�量子電腦配鑰匙�量子電腦解密的原理�科學理論是科技發明的翅膀



第9章 量子通信

量子通信解決什麼問題？�傳統通訊為什麼會被竊聽？�單光子通信方案�量子不可複製原理�科學研究是對現象的還原



第10章 量子力學不神祕

令人困惑的量子力學�原子衰變�薛丁格的貓�電子是客觀存在�月亮確定在那裡�世界是客觀存在



《原來科學家這樣想3：如何測量宇宙膨脹的速度》

導讀? 一起探索宇宙的奧祕 ?

李昫岱�屋頂上的天文學家主理人、中正大學兼任助理教授

序? 跟著科學家探索宇宙奧祕



第1章? 大地的形狀

天文學的誕生�大地之下，天邊之後�畢達哥拉斯的思辨�亞里斯多德的證據�思辨不能取代實證



第2章? 日心說與地心說之爭

行星的奇怪運動路徑�古代天文學之大成�哥白尼單挑托勒密�思想不能有盲點



第3章? 天空立法者

第谷的臨終託付�克卜勒第一定律�克卜勒第二定律�克卜勒第三定律�不要預設教條



第4章? 四條原理統領宇宙

一個橢圓�《自然哲學的數學原理》面世�牛頓三定律和萬有引力�天體物理學�宇宙可以被理解



第5章? 18世紀的天文學第一問題

三角測量法�哈雷的絕妙主意�史上最倒楣的天文學家�天文單位�知識來之不易



第6章? 宇宙中的一座座孤島

伽利略看清銀河的真相�卡普坦宇宙�世紀天文大辯論�銀河系是一座孤島�永不消失的好奇心



第7章? 宇宙的中心在哪裡？

哈伯發現星系退行�宇宙大霹靂�宇宙微波背景輻射�非比尋常的主張需要非比尋常的證據



第8章? 宇宙的年齡原來這樣推算

如何測量麵團膨脹了多久？�如何測量宇宙膨脹了多久？�宇宙年齡的證據�沒有測量就沒有科學



第9章? 宇宙有限還是無限？

宇宙有沒有邊界？�宇宙不按常理出牌�測量宇宙曲率的方法�不可思議的無限大�過程比結論更重要



第10章 宇宙終結之謎

追問宇宙命運的意義�熵增原理�宇宙熱寂假說�宇宙大撕裂假說�探索永無止境

?

作者序



教孩子像科學家一樣思考



　　近兩年，每當我舉辦親子科普講座後，最多家長提問的問題是：「汪老師，能不能推薦幾本科普好書給我家孩子呢？」坦白說，此時我總是有點尷尬，因為我無法脫口而出，熱情地推薦某一本書。回想我小時候看過的科普書，主題大多是「飛碟是外星人的太空船」、「金字塔的神祕力量」等「世界未解之謎」。現在看來，這些書的內容多半屬於偽科學，毫無科學精神可言。



　　當我有分辨科普書的能力時，已經快三十歲了，自然不會再看寫給青少年的科普書。後來，隨著女兒漸漸長大，我開始為她挑選科普書，這才發現，想找到一本讓我完全滿意的青少年科普書，竟然那麼難。雖然市面上有《科學家故事100個》、《10萬個為什麼》、《昆蟲記》、《萬物簡史（少兒彩繪版）》等優秀作品，但我希望孩子閱讀科普書不僅能掌握科學知識，還能領悟科學思維。所謂科學素養，包括科學知識和科學思維，兩者相輔相成，缺一不可。只有兩者均衡發展，才能有效提升個人的科學素養。



　　也就是說，科學知識要學，但不能只學科學知識；科學家的故事要看，但也不能只看科學家的故事。



　　比科學故事更重要的是科學思維。



　　因此，我想寫一套啟發孩子科學思維的叢書，為他們補充並強化科普知識。跟孩子講如何學習科學思維，遠比成人困難得多，因為科學思維講求邏輯和實證，這些概念比較抽象。若想讓孩子理解抽象的概念，必須結合具體的科學知識和故事，而不是枯燥的說教。所以，給青少年看的科普書，首要重點是「好看」，沒有這個前提，其他都是空談。



　　在《原來科學家這樣想》這套叢書中，我會用淺顯易懂的語言、生動的故事，解答孩子最好奇的問題。例如：可能實現時間旅行嗎？黑洞、白洞跟蟲洞是什麼？光到底是什麼？量子隱形傳輸速度可以超光速嗎？宇宙有多大？宇宙的外面還有宇宙嗎？……除了回答孩子的10萬個為什麼，更重要的是教孩子像科學家一樣思考。



　　科學啟蒙，從這裡開始。



　　其三，閱讀這本書，不只讀故事和吸收知識，更能開拓科學視野，啟迪科學思維。每單元的主題結束後，提供讀者中肯鏗鏘的建言，如「科學猜想和胡思亂想不同，科學猜想可以透過觀察或實驗驗證」、「科學研究要耐得住性子。科學研究像一場馬拉松，抵達終點前必須一直努力」，提供莘莘學子省思。



　　從「想到」到「得到」，期間最重要的是「做到」。想要得到閱讀《如果你跑得和光一樣快》的樂趣，汲取科學研究的源頭活水，建議讀者一定要「做到」—翻開這本書沉靜地閱讀和反芻。



《原來科學家這樣想1：如果你跑得和光一樣快》導讀



為有源頭活水來——閱讀科普樂趣多

簡麗賢�北一女中物理教師



　　愛因斯坦的名言：「想像力比知識重要。」然而，若要增強想像力，不能只空思冥想，閱讀不可或缺。例如，廣泛閱讀科普書籍，可以從科普書中獲得科學知識和思維，成為想像力的源頭活水，也能汲取閱讀的樂趣。



　　光是什麼？光速多快？如何測出光速？光具有哪些特性？如果我們跑得和光一樣快，甚至比光速快，這世界會變成怎樣？如果光不是直線前進，光會轉彎，這世界又如何？以上的問題，包含科學知識和思維，也包含想像空間，是非常有趣的知性主題。如果臺灣的電視臺能製作科學知識與思維主題的談話節目，該有多棒啊！相信能帶動全民理性思考，跳脫理盲濫情的窠臼。



　　感謝讀書共和國快樂出版社出版《原來科學家這樣想》三冊系列科普書，筆者有幸先睹為快，閱讀的樂趣源源不絕。在此臚列與略述第一冊《如果你跑得和光一樣快》的梗概，以及閱讀此書獲得的源頭活水，提供讀者參考。



　　其一，這本書共十章，主題包含「科學家測量光速」的故事、「愛因斯坦相對論」淺談、「牛頓萬有引力」效應、「孿生子弔詭」的宇宙謎、「黑洞、白洞和蟲洞」、「宇宙大霹靂和重力波」、「暗物質和暗能量」等。單元主題內容環環相扣，著重科學發展脈絡與思維，讀來趣味盎然，欲罷不能。



　　例如，閱讀「孿生子弔詭」，了解光速如何影響孿生兄弟，時空不同，歲月催人老。閱讀「黑洞、白洞和蟲洞」後，初步了解巨大質量的黑洞，聯結電影《星際效應》的諸多情節。「蟲洞」可能引發讀者想起韓劇《來自星星的你》，穿越時空的蟲洞，不僅數學推論，更是劇作家撰寫科幻劇本的源頭活水。



　　其二，這本書「不可思議的光速」、「萬有引力和重力彈弓效應」、「宇宙大霹靂和重力波」、「令人驚嘆的宇宙」等四章的內容正好契合臺灣現行的108課綱學習主題，可作為高中學生閱讀物理和地球科學的補充教材。



　　例如，教育部課綱中，高中學生必修物理的學習內容「伽利略對物體運動的研究與思辯歷程」、「克卜勒行星運動三大定律發現的歷史背景及內容」、「歷史上光的主要理論有微粒說和波動說」、「牛頓運動定律結合萬有引力定律可用來解釋克卜勒行星運動定律」、「光子和電子以及所有的微觀粒子都具有波粒二象性」、「天文學家發現遠方的星系都遠離我們而去，推知宇宙正在膨脹」、「目前宇宙形成的學說以霹靂說為主流」等，皆可在這本書中找到對應的內容。高中教師可將此書列入高一新生入學前的暑假讀物建議書單，更可以列為提升高中科學班、數理資優班學生閱讀與表達能力的科普書。



　　其三，閱讀這本書，不只讀故事和吸收知識，更能開拓科學視野，啟迪科學思維。每單元的主題結束後，提供讀者中肯鏗鏘的建言，如「科學猜想和胡思亂想不同，科學猜想可以透過觀察或實驗驗證」、「科學研究要耐得住性子。科學研究像一場馬拉松，抵達終點前必須一直努力」，提供莘莘學子省思。



　　從「想到」到「得到」，期間最重要的是「做到」。想要得到閱讀《如果你跑得和光一樣快》的樂趣，汲取科學研究的源頭活水，建議讀者一定要「做到」—翻開這本書沉靜地閱讀和反芻。



《原來科學家這樣想3：如何測量宇宙膨脹的速度》導讀



一起探索宇宙的奧祕

李昫岱�屋頂上的天文學家主理人、中正大學兼任助理教授



　　我像是在海邊玩耍的小孩，對偶然發現的美麗石頭或貝殼感到滿心歡喜，卻忘了宇宙中的未知就像眼前大海般遼闊──牛頓



　　還記得小時候對世界充滿好奇，可以在沙灘上玩好久，急切的想知道沙灘上的砂粒有幾顆？為什麼海浪一直拍打著沙灘？海看不到邊，它到底有多大？海水為什麼是鹹的？海的那一邊是哪裡？每一件事都好有趣，好多的問題都想知道答案。



　　長大後知道的事愈來愈多，漸漸的每件事都變得習以為常，不再新鮮有趣。忙碌的生活和工作的壓力，讓人漸漸失去好奇心。



　　《如何測量宇宙膨脹的速度》描述天文學家探索宇宙的歷程，仔細看一下他們問的問題，你小時候可能也問過，宇宙有多大？宇宙怎麼來的？天文學家的心裡好像都住著一個長不大的小孩，這些小孩沒有隨著年齡長大，旺盛的好奇心永遠都想知道為什麼。



　　托勒密認為地球是宇宙的中心，日月行星繞著地球運行。哥白尼提出太陽才是宇宙的中心，行星以圓形軌道繞太陽。伽利略從望遠鏡看到金星出現月亮般的盈虧現象，證實金星繞著太陽運行而不是地球，證明哥白尼的想法是對的。克卜勒則用第谷的觀測資料，推導出行星以橢圓軌道繞太陽運行，讓哥白尼的日心說更加正確。



　　牛頓匯集前人的想法，加上自己獨特的見解，提出萬有引力理論，從此日月星辰的運行，都可以用牛頓力學來解釋。但是還是有一些牛頓力學無法解釋的少數例外，例如水星繞太陽公轉的軌道，與牛頓力學預測有些微的差異，後來愛因斯坦的相對論解決了這些問題。



　　牛頓和愛因斯坦兩位偉大的科學家都認為宇宙是靜止的，不膨脹也不收縮。1922年，蘇聯科學家弗里德曼從相對論中發現宇宙膨脹的可能性，他是最早提出宇宙不是靜止的科學家。1929年，美國天文學家哈伯透過望遠鏡發現整個宇宙正在膨脹，這個觀測上的證據顛覆了眾人的想法。後來的科學家根據這些宇宙膨脹的證據建立了大霹靂模型。



　　仔細看這些科學家，每個人在探索未知的歷程上都像是摸著石頭過河，他們改進前人的想法，接受其他人的檢驗，解決問題後，後人接棒後繼續前進，這正是科學可貴的地方。



　　科學家探索宇宙的腳步從不停歇。1998年，科學家意外發現宇宙不僅僅在膨脹，而且是加速膨脹！科學家認為宇宙加速膨脹來自於一股看不見、未知的能量，所以稱它為暗能量。另外，宇宙中除了我們熟悉的一般物質，還有所謂的暗物質，暗物質跟暗能量一樣都看不見，暗物質的量是一般物質的5倍！



　　什麼是暗物質？為什麼比物質多卻看不見？暗能量又是什麼？這些宇宙的未解之謎，等待新一代科學家加入探索的行列，提出新的想法和思維，繼續探索宇宙的奧秘！