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。

朱慶琪近年以童話故事《愛麗絲夢遊仙境》、《小飛俠彼得潘》策劃互動式科學展覽,帶領民眾深入童話情境,探索科學原理。
攝影/黃詩茹

《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,Lewis Carroll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。

《愛麗絲夢遊仙境》的作者Lewis Carroll,不時將42的密碼藏在故事情節中。
圖片來源/Pixabay

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。

童話中的愛麗絲一共變身12次,朱慶琪在展覽中也利用凹面鏡與凸面鏡的光學原理,讓民眾實際體驗。
攝影/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。」

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

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。

愛麗絲遇見躺在蘑菇上,抽著水煙的藍色毛毛蟲。展覽中以鼓膜振動,讓圓圈中心和周圍流體產生流速差,製造煙圈效果。
圖片提供/中央大學科學教育中心

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。

「飛出的紙牌」實驗利用馬達高速旋轉和摩擦力作用,以高速射出撲克牌,驗證網路流言。
圖片提供/中央大學科學教育中心

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。

「我們不想做一件事情的時候,總能找到千百個理由和藉口」。

除了展覽現場的互動實驗,朱慶琪和團隊也設計DIY活動和教具延伸學習。
攝影/黃詩茹

長期帶領科普活動,朱慶琪發現許多人在畢業後,就停止涉獵科學知識,讓科學距離生活越來越遠。她還笑說:「大部分的孩子,上了國中就會開始討厭科學。」這時候,就輪到演示實驗上場了!

「他們可能會因為演示實驗的結果違反直覺、經驗,或是實驗效果很酷炫,而對科學重燃興趣。這時候就不是你強迫學生跟著你走,而是他自己迫不及待跟著你走。學生自己找出來的答案,才會一輩子記得」。

策劃展覽也是如此。比起現場很high、人數很多,朱慶琪更在意展覽後留下什麼?啟發了什麼?多年經驗讓她體悟,運用演示實驗作為學習工具,必須經過縝密的設計和不斷的優化,包含提問與引導的方式都要仔細考量,「一位好的科學演示者,真正展現出來的只是冰山的1/10,深藏在下面的是深厚的理論、專業知識、信念和經驗」。

內行看門道,外行看熱鬧。朱慶琪認為演示實驗不是一場精采的秀,重點也不在於吸睛的戲劇效果,學生才是主角。「十分鐘的演示實驗,老師藏了多少的東西?『藏』是收斂起自己的鋒芒,把舞臺讓給學生發揮,這個教學工具是用來成就學生的」。

從《愛麗絲夢遊仙境》啟程的科學探險,不只有精彩的物理實驗,更在人文與科學間搭起一座橋樑,無論帶著什麼樣的背景出發,每個人都能在路途中發現追尋知識的樂趣。

採訪撰稿/邱鈺玲
編輯/黃詩茹
攝影/黃詩茹

研究來源
朱慶琪(2013-2015)。在童話故事裡學科學_第一篇:愛麗絲漫遊奇境。科技部專題研究計畫(一般研究計畫)。
朱慶琪(2017-2018)。科普活動:在童話故事裡學科學_第二篇:小飛俠彼得潘。科技部專題研究計畫(大眾科學教育計畫)。