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第901期
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【2019/1/3 】 |
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漫談文學中的物理 【簡麗賢/北一女中物理教師】 |
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閱讀古典書籍或篇章時，有時會連結物理學的概念，頗能相映成趣，饒富趣味。
第一次閱讀古人的詩句出現「物理」一詞，是唐代詩人杜甫〈曲江二首〉提及：「細推物理須行樂，何用浮榮絆此生？」可以解釋為「仔細推敲與探究世間萬物變化的道理，是一件追尋快樂的事，不需要用世間浮華的名利牽絆自己的一生。」追求大自然的科學過程中，「仔細推敲與探究」的歡樂，應該只有身歷其境的人才能淪肌浹髓，感受深刻吧！
如果推敲文學篇章的情境，或許可以找到很好的題材賦予物理概念的探討，適切引入物理教學中，成為很好的教學素材。
周敦頤的〈愛蓮說〉是很多讀者耳熟能詳的篇章，其中經典名句「蓮出淤泥而不染，濯清漣而不妖」乃因蓮葉上具有奈米級組織結構，才會讓水珠污物無法附著在葉子上，花中君子才能穢地重生，自我救贖，此現象涉及物理流體力學的疏水性親水性和表面張力的概念。
杜甫〈江畔獨步尋花〉詩句「留連戲蝶時時舞，自在嬌鶯恰恰啼」，以及〈曲江二首〉「穿花蛺蝶深深見，點水蜻蜓款款飛」，這些詩句都談到蝴蝶，蝴蝶具有色彩斑斕的翅膀，增添大自然的璀璨。
蝴蝶何以具有色彩斑斕的翅膀？自然需要陽光的襄助，因為部分種類的蝴蝶的翅膀隱藏「光子晶體」結構，陽光照射下，翅膀鱗粉上排列整齊的次微米結構能選擇性反射陽光，經過眼球與大腦的解釋後，形成繽紛燦爛的色彩。
「光子晶體」是指物質呈現特殊的週期性排列，這種週期性排列的特色就是可以反射某些特定波長的可見光。構成蝴蝶翅膀的鱗片表面含有許多類似樹枝狀的奈米結構，每條細枝間的距離大約八十奈米，這些結構部分呈現規則，當陽光照射翅膀時，依據光學反射定律，會發生特定波長的光被反射。嚴謹來說，翅膀的鱗片相當於「光子晶體」，呈現光學薄膜特性，是一種具有「折射率」的材料，此折射率隨結構特性而改變，可以週期性反射陽光，產生物理光學的建設性干涉現象。
科學家從蝴蝶翅膀鱗片的光子晶體概念，研發出判斷真鈔偽鈔的特性，手機螢幕在陽光照射下仍能清楚辨識圖案，也是光子晶體的應用。科學往往能以大自然為師。
談到「奈米科技」，自然想到佛經的「須彌納芥子」。「須彌」意謂「崇山峻嶺」，「芥子」則是極小的種子。佛經提出極大與極小的對比概念，闡釋物理學巨觀與微觀的看法。知名的物理學家費曼曾提出「把一部大英百科全書刻在針頭上，這是可行的事。」「在極小的範圍內還有許多發展的空間」，啟發人類在小尺度科學的研究與發展，使奈米科技蔚為風潮，張忠謀先生的台積電半導體進入三奈米時代，更呼應「須彌納芥子」的情境。
李白〈黃鶴樓送孟浩然之廣陵〉的詩句「故人西辭黃鶴樓，煙花三月下揚州。孤帆遠影碧空盡，唯見長江天際流』，有些版本是『碧山盡』。「碧空」和「碧山」，哪一個說法比較合乎科學概念？
或許這樣的問題與「天空為何是藍色？」相似。李白寫詩的時候，究竟用「空」還是「山」？是指「天空」還是「山脈」，若要從物理概念幫忙李白詮釋詩境，恐怕破壞寫詩的意象和讀詩的聯想。
「天空為何是藍色？」這是光的散射(scattering)現象，分析「孤帆遠影」究竟「碧空盡」還是「碧山盡」，也可以從光的色散切入。
若僅從物理的光學分析，「碧空」會「比較」合理。
怎麼說？高中學生在基礎物理學過「波動特性」，包含光的反射、折射、干涉、繞射現象等，其中光波遇到空氣分子的反射時，會產生「散射」現象。英國物理學家瑞立提過「瑞立散射（Rayleigh scattering）定理」，說明「光波若遇到顆粒小於光波波長的空氣分子而被散射時，散射光的強度與其波長的四次方成反比。」意謂「可見光當中的藍、紫色光波長較短，比波長較長的紅光容易被散射」。因此，天空中的散射光以短波長的藍色為主，也就是說波長較短的藍光會與大氣層中的空氣、水蒸氣或灰塵等粒子碰撞，朝著各方向散開，這個概念可以解釋「為何天空是藍色」。
也許你會問：「既然波長短的光易被散射，紫光豈不更容易被散射？這樣說，天空應該是紫色？」聽來很有道理，然而有一項因素不能被忽略，那是「紫光雖然波長更短，卻易被大氣層吸收」。
因此觀察大自然時以物理來理解，或者讀物理時結合生活現象，更能增添學習趣味，培養「言之有理」的表達能力。
至於李白究竟寫「碧空」或「碧山」，應從詩人心境、地理形勢與物理概念多方模擬討論，聽聽不同的論點，或許更能增加想像的趣味。 |
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