前言

学者也许会无休无止地讨论“极客”(geek)和“书虫”(nerd)这两个词之间的差别。于我而言,两者并没有什么区别。这两个光荣的头衔都是用来褒奖一群致力于某一个特殊领域并为自己感到骄傲的男人和女人的。一个极客或许对吞噬一头奶牛尸体的所有不同类型的昆虫很有研究。也许一个书虫能辨认出绝地武士4使用的各种不同类型的光剑。极客可以构建出一流的东西,在他笔下,一桩桩事情都妙趣横生。他们中有些人又和我如出一辙:喜欢把东西统统拆开,来弄明白里面的部件如何运作,但回过头来又不一定能装回去。

我认为极客和书虫已经不再是与什么消极事物相联系的标签了。无论谁都很喜欢别人以极客来称呼自己。极客实在是太酷了,如果看过《生活大爆炸5》或者《流言终结者》这样流行的电视节目你必定能领悟。事实上,在我们内心深处,都至少藏着这么一棵极客、书虫的萌芽,这种存在对我们自身意义非凡。

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那我又是什么人?我也是极客吗?当然。在我还很小的时候,我就对极客类的东西很颇感兴趣了:宇宙空间、漫画读物和科幻小说。我也自己动手制作过一些东西,在青少年时期我完成了一个早期项目:一个小型的电子设备,由两节光电池和一个马达组成,用来记录下光束的运动的轨迹。那时,这件小东西我喜欢极了。此后,我继续学习物理,最终成为了东南路易斯安娜大学的一名教员。然而对于那些过去玩过的极客类的东西,我的喜爱自然丝毫不减半分。在这个世界上,还有什么能比把我学到的物理知识和极客文化结合起来的乐趣能让我更感到愉快?或许只有一罐花生黄油或一个果酱三明治吧,不过这也只是可能罢了。

所以,我做的就是这个事情。我用两个基本思路来观察周遭的世界。第一,基本的物理概念,比如:动量定理,动能定理,或者电与磁之间的关系(我们把这种关系叫做麦克斯韦方程)。但这个并不是我在分析真实和虚拟现象时所用到的全部手段。我还用到第二个——构建模型。模型是什么?难道就是我在孩提时代玩过的汽车模型玩具吗?没错!模型是任何一件用来代表其他物体的物体。万有引力定律引出的数学公式诠释了两个物体的质量和相互吸引力之间的关系。我们也可以构建一个从来没人做过的模型。在一个国家里,一条推特6消息的传播速度能有多快?只要找到相关数据并找到一个能清楚解释这种现象的的数学表达式,就算完成这个模型了。通过解决这些问题,一个模型就成功建好了。模型也许千变万化很复杂,但创建模型的这个思路本身很直截明了。

为什么有人会浪费时间在阅读星球大战电影里的物理学?为什么有人会关注咕噜7需要吃多少鱼才可以保持它的体温?如果我能精确计算出冰一罐啤酒要用多少冰,我实际会不多不少地用那么多冰吗?难道我没有别的更重要的事情要做吗?那么,到底什么才算“浪费时间”?看电影算浪费时间吗?阅读和绘画又算什么呢?一个人觉得多此一举、浪费生命的活动也许正是另外一个人觉得对自己大有裨益的事情。

对所有不现实的事物加以分析,难道全无半点用处吗?我们来打个比方吧,以“愤怒的小鸟”这个流行的视频游戏为例。就我自己而言,我很喜欢这个游戏,但它带给我最大的愉悦是能让我尝试着寻找其中的秘诀在哪里:小鸟在地球上也是这样飞翔的吗?又有什么特殊的物理法则蕴藏在这个游戏里?我分析这个游戏运作的方式和我在现实世界里面搞的物理研究大同小异。在研究这款电脑游戏上使用到的方法和工具时,我也会在研究物理的其他领域里一样使用到。使用物理知识来分析视频游戏和模拟攀岩很相似。在攀岩壁的过程中你学到了攀岩的技巧,但爬到顶并不会得到什么。不过,要是你下一次真的去爬山,你就会很自然地使用到那些在模拟攀岩过程中学到的攀爬技巧,唯一不同的是,现在你可以爬到一座真正的山巅。因此,为刚才打的那个比方下个结论:真正的物理研究和真正的爬山一样,分析愤怒的小鸟里的物理就像模拟攀岩。

接下来,让我们步入正题。我将分享一些我最喜欢的构想给你们。所有的这些构想都体现了物理学和极客文化的融合,因此本书命名为《极客物理》。

在我们开始之前,我想再做一些补充说明:

在回答这些令人啧啧称奇的问题同时,我希望和你们分享一下构建模型的思维过程。这意味着我也将描述一些模型建立起来所依赖的基本物理概念。然而,有一些基础概念不止在一个问题里面出现。我选择在每次使用这些概念时迅速地过一遍,这样就会让同一个概念反复在好几章内容里出现。不要担心,这是有两点好处的:首先,物理科学很复杂,一个内容复习一遍以上对你而言只会有益无害;其次,因为同样的概念解释在书中不止出现一次,假如你希望跳读的话也没有问题。