隨想 物理

好書推薦:物理定律下的能量

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撰文者:Julia Mikhailova 譯者:朱家誼
發文日期:2021-01-26
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  • 在眾所期盼下羅伯特·賈菲 (Robert Jaffe) 和華盛頓·泰勒 (Washington Taylor) 發表了蘊含大量知識的能量轉換基礎原理指南。畢竟能量本身就是個超級複雜的題目,要在深度和廣度兼顧下描述能量是個艱巨的任務,所以入門教科書絕大部分只圍繞在普適性高、高階的概述上。不過魔鬼就藏在細節裡,各種細微的差異對於瞭解整個大圖像非常地重要、也往往決定了能源技術的可及性。


    身為一位在工程與應用科學系教授永續能源課程的老師,我一直以來都得要用很多教科書才有辦法涵蓋課程內容,而我也一直期待有一本可以從全面、準確且有吸引力地講解能量轉換的課本;畢竟這不僅在自然界就會發生、也在我們工業和數位的世界都有用到。而 能量的物理 (The Physics of Energy) 就是我所期待的那本書;這本書要深度有深度、要廣度有廣度,而且作者在乎精確度、內容又很清晰。


    賈菲和泰勒的這本 能量的物理 是從他們在麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology) 其中一門教了超過十年的單學期課程中孕育出來的一本適合學習的書。雖然這本書的本意是課堂教學用,但讀者並不需要是工程和物理系學生;畢竟現今能量的高使用率和需求量的快速增長、社會大量依賴有限的石化燃料和對氣候變遷的關心與核能安全性等問題,現在永續能源已經受到社會極大的關注,任何關心能源的人都會覺得這本書具有啟發性和教育性。由於在嘗試制定任何新的能源相關政策之前都該先對能量的物理限制有所瞭解,所以這本書可以作為政策制定者非常好的參考準則。


    本書的邏輯分成三部份:從基本能量物理開始到能量的來源,最後講述能量系統與對外部環境的影響。背後的能量轉換過程和物理機制都被完整、簡潔地包含在這 874 頁裡,賈菲和泰勒也巧妙地將理論與實際例子做聯結。你曾想過為什麼電線在歐洲通常都被埋在地底下而在北美則是懸掛在頭頂之上嗎?各種配電系統是不是受限於哪些物理機制?如果你會好奇,答案就在第 820 頁裡。你知道物質的相變對於蒸氣渦輪運作有多重要嗎?第十二章就在講相變化時能量轉換的物理和在實際設備中的應用。這本書的其中一個強項就是作者不會放過細節。


    賈菲和泰勒其中一個大貢獻就是連接起物理和工程。能量的物理 這本書為讀者介紹了宇宙暗能量、講述宇宙裡能量的歷史也囊括了永續能源科技各種最重要的方向,而大多數介紹這種課題的教科書不是故意忽略不然就是偷偷跳過討論能量的根本意義,而是從不太可靠又迂迴的「能量就是做功的能力」這種定義出發。這些定義總讓我想到費曼物理學講義 (the Feynman Lectures on Physics) 裡講的「物理到今天都還無法解釋到底能量是什麼。」不同的是在 能量的物理 這本書的第二十一章裡對能量的物理意義有全面性地討論,為讀者對能量相關課題紮根。


    這本書也有觸及能量效率、儲存和發展永續能源的挑戰。在這樣的情形下其中一個最值得關注的課題就是太陽能和風能技術目前和未來會遇到的困境,我們需要解決這類能源的高變化性、無法提供基本負載電力和區域電力密度低下的問題;不管是從快速的都市化和計算、電子控制、監控、人工智慧和其他種種電力需求增加的視角來看,上述這些困境都特別需要被重視。


    再引用一次費曼的話:「要把我們從擔心能源需求的牢籠裡逃出的鑰匙掌握在物理學家手上。而這並非空思夢想。」而任何在找尋真正得到這種自由的人手上都該有本 能量的物理。


    茱莉亞·蜜海蘿娃 (Julia Mikhailova)
    普林斯頓大學 (Princeton University)
    美國紐澤西州普林斯頓市 (Princeton, New Jersey)



    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, 2020雜誌內(Physics Today 73, 9, 53 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4570); 原文作者:Christine Middleton。中文編譯:朱家誼 博士,國立中興大學物理系 博士後。

    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Christine Middleton, and are published on Physics Today 73, 9, 53 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4570). The article in Mandarin is translated and edited by Dr. Chia-Yi Ju, working on Department of Physics, National Chung Hsing University.
     
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