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科學,從勤加觀察、問「為什麼」開始

2018/05/09 17:43:09 聯合新聞網 讀.書.人

面對人生的難題,科學思考總是可以在關鍵時刻給我們指引。《科學素養》一書主要分享科學研究者如何把對於所見所聞的好奇,轉而成為研究活動的過程。科學做為一種探究知識、逼近真理的方法,到底是怎麼來的?想解決各種矛盾,就必須仰賴科學的力量。

文/池內了(Satoru IKEUCHI) 譯/李友君

科學始於觀察大自然的變化

仔細看看刻在古代土器和銅鐸上的花紋,就會發現當中畫著各種漩渦(按:銅鐸是日本彌生時代祭祀用的禮器)。假如看得更仔細一點,則會發現漩渦捲動的方向有的都朝同一邊。有的是兩兩相反。再仔細觀察之後,想必就會注意到成對的漩渦也分為兩種。一種是在右邊漩渦順時針旋轉下,左邊漩渦呈逆時針旋轉;另一種則是在右邊漩渦逆時針旋轉下,左邊漩渦呈順時針旋轉。煩請各位讀者看圖鑑或到博物館實際求證一下。

繩文土器的「漩渦」(長野縣茅野市)。圖/經濟新潮社提供
繩文土器的「漩渦」(長野縣茅野市)。圖/經濟新潮社提供

然而,漩渦在什麼地方可以看得到呢?要說知名的就是鳴門漩渦了(按:鳴門漩渦是日本鳴門海峽的漩渦景觀)。其他眾所皆知的漩渦還有颱風眼及龍捲風眼、沿著蜿蜒的堤防或橋桁圓柱後面的漩渦、抽菸時吐出的煙圈,以及人造衛星拍攝的巨大漩渦雲等,種類五花八門。

不過,現代人大概不會留心到連漩渦捲動的方式都會觀看。但是古代的人卻會仔細觀察到這種地步,並且應用在花紋。古人的社會環繞在狂暴的自然當中,到處都看得到漩渦,有時漩渦會捲走孩童,沖毀房舍,所以他們才會緊盯著漩渦觀察。

科學的出發點,就是像這樣,從仔細觀察自然開始。觀察指的是「專心注意看仔細」。即使走馬看花瞧見貌似相同的現象,但若專心注意看仔細,就會發現漩渦捲動的方式不同,每天會逐漸變化。假如持之以恆,就會從中看出某種「規則」。

接著要蒐集類似的現象,分類成共通的性質(漩渦捲動)、相異的性質(漩渦捲動的方向)和逐漸變化的性質(河川的流速和漩渦的數量)。

透過觀察可以發現自然現象並非反覆無常地發生,而是具有規則,能夠歸納為單純的模式,這就是科學建立的最大根據。這種觀察現象的性質再記述規則的行為,就稱為「質性研究」。博物學可以說是質性研究的集大成,讓人們實際感受到自然的富饒。小學的理科也是以此為目的編製而成,應該也有很多人喜歡理科才對。

書名:《科學素養:看清問題的本質、分辨真假,學會用科學思考和學習》作者:池內...
書名:《科學素養:看清問題的本質、分辨真假,學會用科學思考和學習》
作者:池內了(Satoru IKEUCHI)
譯者:李友君
出版社:經濟新潮社
出版日期:2018年4月17日

從觀察到「觀測」

觀察再進一步就是「觀測」。這不只是要仔細看自然引發的現象有什麼性質,還要「測量」,也就是運用某種尺度將性質代換成數值。以漩渦來說就是漩渦的大小、旋轉的速度、發生的頻率,以及從出現到消失為止的時間等等,所以就必須規定測量的尺度。原有的基本尺度單位為大小(尺寸)、重量和時間。

以時間為例,就是觀察星辰的活動、月亮的盈虧、插在地面上的棍棒(晷針)陰影長度和方向,使用手指細數規則的變化,建立一年、一月、一日的時間尺度。這是西元前四○○○年的事情。

這種將自然現象的性質用某個單位測量及數值化的行為就叫做「量化研究」。只要以共通的單位測量,就算是不同的人在相異的地方觀測的結果,也能客觀比較和整理。另外還能正確判定變化及誤差的大小,建立體系記錄現象。最後就可以核對用算式表示的定律。

即使還不曉得定律是什麼,也可以輕易推測該滿足什麼樣的必備條件。國中和高中的理科就開始在教量化描述了。假如無法明確知道為什麼要這樣表示,透過這個能夠釐清什麼,理科就不好玩了。這時討厭理科的人說不定會增加。

而像天體這樣遙遠而無法觸及的現象,就只能一直用望遠鏡觀測了。為了精確量化觀測結果,望遠鏡要加大,提升觀測裝置的精準度,努力更往大氣層之外邁進。比方說,現在我們頭上五百公里上空有個直徑二點五公尺的望遠鏡在飛。透過這個叫做「哈伯太空望遠鏡」(HST,Hubble Space Telescope)的裝置,就能將宇宙彼端瑰麗的影像傳送過來。我們對自然認識的多寡,就取決於資訊接收方的技術是否進步。

從觀測到「實驗」

另一方面,地面上的現象則要更進一步進行「實驗」。要製造該調查的資料,設定環境條件,測量對某些交互作用的反應,這算是在主動影響自然。

進行實驗之後,無論是自然界存在的物質,還是藉由人類的手合成的物質,都能綜合調查其物理性質(包括物質的組成、運動方式、熱力、電子和磁力性質等)和化學性質(與其他化合物物質的反應)。這樣就可以揭露物質的各種性質,貼近物質的根源,合成對生活和生產有用的物質(比方像藥品或半導體元素),追溯地球和生命的歷史。

問「為什麼?」

質性也好,量化也好,透過觀察、觀測和實驗發現自然現象的規則之後,就要思考「為什麼」這樣的規則會成立。

我的小孩三歲時覺得周圍的一切很不可思議,開口閉口就問「為什麼」,讓我很困擾(我也發現自己不知其所以然的事情出乎意料地多,真是令人吃驚)。覺得萬事萬物不可思議,詢問「為什麼」的精神,正是人類獨有的「好奇心」(當然,我家的狗也有好奇心,遇到什麼都會聞味道,但能夠按部就班思考的動物,就只有人類)。

世界上多數民族都擁有「神話」。神話當中有三個主題:這個世界(宇宙)為什麼誕生?人類由誰創造?這個慶典源於何時?這些疑問是在談論宇宙、人類和文化的起源。

比方說,日本神話《古事記》當中就有個好玩的問題:「海參為什麼是那種形狀?」或許神話就是父母的參考書,用來應付愛問「為什麼」的孩子。從人類認識客觀世界時(也就是人生首次以雙腳站立時),這種「為什麼」的問題就冒出來了。

即使是現在,科學精神的本質「好奇心」也沒有改變。而科學家總是對謎團和難題詢問「為什麼」,想要解開疑惑,持續研究。這時無論針對「為什麼」回答「事情就是那樣」(〈人性論〉中,亞里斯多德〔Aristotle,西元前三八四|西元前三二二〕的回答),還是「那是神的旨意」(〈神學〉中,托馬斯.阿奎那〔Thomas Aquinas,一二二五|一二七四〕的回答),都不是真正的答案(雖然父母多半會這樣回答)。

回答問題的關鍵:衡量物質的作用

究竟要怎樣回答,才是正確的?

當然,回答會依問題而變動,不過,關鍵在於思考「這時什麼物質扮演重要的角色」。自然現象攸關所有物質,這時最重要的是弄清楚扮演主角的物質是什麼。

其次則要思考所衡量的對象是由什麼物質的性質所導致,由什麼物質的運動和變化所導致。有時說不定還必須設想這個物質能用什麼原料製造。研究是要找出這個階段當中的決定性要件是什麼,揭露其原因,重現實驗和觀測結果。

我們不妨想像一下用菜刀切蔬菜或魚的情境,這時也會有很多的「為什麼」。

菜刀的重量和刀刃的形狀會依蔬菜和魚而異,為什麼?

菜刀切肉類和魚時要往內拉,切蔬菜時要往外推,又是為什麼?

聽說用不利的菜刀切食材會變難吃,這是真的嗎?

菜刀不夠銳利時,用磨刀石磨過後就會變得好切,又是為什麼?

要回答這些疑問,就必須思考菜刀本身是用什麼製造的(材料是鐵或不鏽鋼,將會影響到硬度、刀尖的形狀及是否容易生鏽),刀尖呈現的角度(這跟切割食材的硬度和摩擦力有關),食材的細胞在切割時會變得怎樣(不破壞細胞會比較美觀,滋味也比較好吃),刀尖用磨刀石磨過會變得怎樣(銳利的同時也會製造出鋸齒狀的細微刮痕)。

換句話說,「切食材」的現象牽涉到菜刀和食材這些物質的性質、刀尖的運動、細胞的化學反應和其他要素。「切食材」說來簡單,卻牽涉到這些「為什麼」(另外,一般人對摩擦力認識得不算透徹。這種日常現象出乎意料地困難,有很多不了解的地方)。

現在我們知道,像這樣思考再回答「為什麼」並非那麼簡單。但是,以這種方式思考再回答「為什麼」,各位讀者難道不覺得很有趣嗎?

●本文摘自經濟新潮社出版《科學素養:看清問題的本質、分辨真假,學會用科學思考和學習》

作者簡介

池內了Satoru IKEUCHI

理學博士,天文物理學者、名古屋大學名譽教授、綜合研究大學名譽教授。從事宇宙和天文研究,同時投入科學與社會的教育研究。

一九四四年生於兵庫縣,畢業於京都大學理學院物理系。著有《跟女兒談科學是什麼》《物理學與神》《禁忌的科學》等書(以上書名均為暫譯)。監修:《改變世界的30個重要發明》《探索新知!圖解生物的奧妙》《一探究竟!圖解宇宙‧地球的96個小知識》《探索奧秘!圖解不可思議的自然現象》等書。

讀.書.人


我們每個人都閱讀自身及周遭的世界,俾以稍得瞭解自我與所處。我們閱讀以求理解或啟迪。我們不得不閱讀。

《閱讀地圖——人為書癡狂的歷史》

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