【專訪】看童話學科學:朱慶琪告訴你《愛麗絲夢遊仙境》藏了哪些科學彩蛋?

【專訪】看童話學科學:朱慶琪告訴你《愛麗絲夢遊仙境》藏了哪些科學彩蛋?
Photo Credit: 黃詩茹

我們想讓你知道的是

你知道愛麗絲夢遊仙境的作者,其實是個數學家嗎?他將許多邏輯與科學彩蛋藏在書中,是將人文與科學結合的最佳範例。

作者:人文.島嶼 (採訪撰稿:邱鈺玲|編輯:黃詩茹|攝影:黃詩茹)

掉啊,掉啊,往下掉啊,掉到什麼時候才停止呢?

我究竟往下掉了多少英里呢?

愛麗絲不自覺叫出聲來,一定快接近地球中心了吧。

讓我想想,那是有四千英里深囉?

接著她又說,我會不會穿過地球,摔到地球的那一面呢?

——《愛麗絲夢遊仙境》

這是經典童話《愛麗絲夢遊仙境》開頭的場景,相信大多數的人都有聽過。但你知道愛麗絲的這段嚷嚷,其實是物理學中的「簡諧運動」嗎?而且整個故事還不只這一個科學梗!

中央大學物理系副教授暨科學教育中心主任朱慶琪發現《愛麗絲夢遊仙境》中別有玄機,竟然藏有各種邏輯、語言、數學,甚至科學梗!於是她決定用拿手的演示實驗,籌劃展覽「在童話故事裡學科學:愛麗絲漫遊奇境」,用童話故事的情境來學習科學的奧秘。

The Hatter 帽匠 愛麗絲夢遊仙境
Photo Credit: 愛麗絲夢遊仙境

《愛麗絲夢遊仙境》藏了哪些科學彩蛋?

童話不就是童話,哪來的科學原理?原來《愛麗絲夢遊仙境》的作者路易斯・卡羅(Lewis Carroll),還有另一個身分:數學家。他在故事中埋藏彩蛋,僅有少數同道中人能夠意會。朱慶琪說,細讀這部童話,可以發現裡面不只有數學,還有邏輯、語言和科學原理。

身為數學家,卡羅莫名偏好數字「42」,經常在故事裡埋藏這個「密碼」。例如故事開頭,他將彈簧來回震盪,產生周期性運動的「簡諧運動」,包裝成愛麗絲跳進兔子洞的橋段。

朱慶琪說,因為那個年代真的有人提出「重力火車」(gravity train)的概念:假設在地球上鑽一個洞,穿過地心形成一個隧道,因為地球的大小、重力加速度,這班火車最快只需要42分鐘就能到達地球的另一端。

還有撲克牌園丁種玫瑰的場景,「園丁身上的數字,分別是2、5、7。而小於10的質數,有2、3、5、7,為什麼3不見了?因為他跑去旁邊偷懶。作者在這邊埋的梗就是2+5+7=14,14×3=42。」又是一個不著痕跡的彩蛋,讓朱慶琪大為折服。

朱慶琪接著提到她最喜歡的例子。故事中,愛麗絲吃下蘑菇,變身成巨人,脖子變得非常長,高過了一棵樹,樹上正好有一窩鳥蛋。

一隻鴿子朝她飛來,用翅膀瘋狂地拍打她。

「蛇!」鴿子尖叫著。

「我不是蛇!我是一個小女孩」,愛麗絲認真地說。

「你不用否認了,我猜你接下來要說,你從來沒有吃過蛋吧!」鴿子說。

「我的確吃過蛋,但小女孩吃的蛋和蛇吃的一樣多」,愛麗絲解釋。

「我不相信,小女孩也是一種蛇」,鴿子說。

朱慶琪說:「這一段的對話就是我們常說的若P則Q成立,不代表若Q則P也成立。」簡短的對白,正是邏輯學中的經典命題,也就是「前提」成立,「結論」才會成立的基本邏輯推論。就這樣,處處精彩的童話故事在朱慶琪的腦中轉呀轉,醞釀出一場科學探險。


Photo Credit: 黃詩茹

兔子洞、毛毛蟲,還有消失的柴郡貓

在這一場充滿科學知識與童話趣味的展覽中,朱慶琪精選故事裡的逗趣情節,規劃了「愛麗絲掉進兔子洞」、「愛麗絲掉進兔子洞II」、「愛麗絲變大變小」、「愛麗絲與毛毛蟲」、「愛麗絲在瘋茶會」、「紅玫瑰與白玫瑰」、「消失的柴郡貓」與「飛出的紙牌」等八大主題,帶領大小朋友身歷其境,在愛麗絲的夢境中穿梭冒險。

「愛麗絲掉進兔子洞」的實驗是這趟科學旅程的起點。參觀民眾得鼓起勇氣爬進深不見底的洞口,一進去就無所遁逃。朱慶琪笑著說明:「其實很像我們搭電梯的經驗。電梯裡面有三面鏡子,左右兩面鏡子是平行的,所以你站在其中一邊,看向另一邊,就會看到鏡子中有無限個自己。我們就是利用這個原理,裝上一圈燈管,透過無限反射,達到無限成像的效果,就能看到無限的燈條,而且會越來越小,就能製造無底洞的感覺。」

接著,愛麗絲走進花園,遇見撲克牌園丁忙著將紅心皇后討厭的白玫瑰塗成紅玫瑰。朱慶琪便設計了一個實驗,幫助園丁不必被砍頭。「我們在一部分的白玫瑰上塗紅色的感溫變色顏料,手摸了會變白;另一部分塗感光變色顏料,紫外線一照就會變紅。」日常生活中的防偽技術、溫度警示、紫外線強度顯示,其實都應用了這個原理。


Photo Credit: 中央大學科學教育中心
Photo Credit: 中央大學科學教育中心
「愛麗絲掉進兔子洞」的實驗,利用無限成像的光學原理。

科學冒險的最後一關「飛出的紙牌」,來自童話尾聲,生氣的紅心皇后用紙牌砍頭的驚險情節。其實,朱慶琪的靈感也來自Discovery頻道的節目「流言終結者」(MythBusters),曾經做過「高速飛出的紙牌究竟能不能殺人」的實驗。

她和團隊親手打造一臺時速超過200公里的撲克牌發射機,讓五副撲克牌在幾秒內高速發射。經過現場演示證明,只要站在一定的距離以外,紙牌會因為空氣阻力而迅速降速,也就不足以造成傷害,實際探討網路流言的正確性。

家喻戶曉的童話故事,加上精心設計的科學實驗,過程中朱慶琪不斷思考,什麼樣的實驗可以達到科學學習的目標,而不只是「按按鈕­」而已?她希望強調「問題」而非答案,強調「探索」而非記憶。

有位媽媽帶著四歲女兒來看展覽,離開後看到路邊的交通凸透鏡,小女孩指著鏡子說:「這就是我們剛剛看到的。」雖然她還無法說出凹面鏡會讓人像放大,凸面鏡會讓人像縮小的原理,卻已經領會愛麗絲變大變小的奧秘。朱慶琪說:「這才是我一直以來追求的學習成果,不用記住艱澀的科學名詞,有推理與探究的能力更重要。」

演示實驗為什麼重要?

在中央大學藝文中心舉辦的展覽,不到一個月內就吸引近七千人參觀,許多外縣市的民眾專程前來,觀眾的反應超乎預期。 其中一個關鍵因素,是朱慶琪深厚的物理演示教學功力。她認為,演示實驗可以把抽象的概念具象化,讓人有想像依據;再透過比喻,捕捉科學現象的原理。最重要的是,演示實驗可以快速激起學習興趣。

朱慶琪說:「我們沒辦法把核反應爐放在教室實際操作給學生看。可是如果透過演示實驗的設計,就能讓學生理解,原來核分裂是透過指數成長的過程,把能量釋放出來。」

面對數理,我們或許都曾在心中想過,「老師,我學這個有什麼用?」朱慶琪也經常被大學生挑戰。早期她還會用力地向學生解釋微分方程、傅立葉分析未來如何派上用場,但後來她發現這樣回答是沒用的,有沒有熱情和興趣才是問題所在。


Tags: