序／導讀

專家推薦
曹培熙 老師
台大物理系暨醫學院光電生物醫學中心退休教授

日常生活裡，我們會用到公尺、公分、公斤、公噸、分、秒、公升、伏特、瓦等數不清的單位。倘若沒有這些公認的單位，就無法表達：一棵樹有多高、一包米有多重、上第一堂課要在什麼時候走出家門、一個杯子能裝多少飲料、為什麼各種電器需要的電池數目不一樣、一盞電燈每小時消耗多少能量。因此，認識各種單位的意義和由來，既有充實知識的趣味，也有助於了解和比較生活上各種物件的功能。

制定各種單位的過程中，人類觀察過許多自然現象和物體的行徑，發現一些規律性，而產生了粗略的單位，例如一天（兩次日出之間的時間）、一個月（兩次月圓之間）、一英尺（成人腳底板的長度）等。一方面由於有了這些單位，另一方面觀察的現象範圍也擴大，就發展出一些觀測工具，提高觀測結果的精確度。細心地整理觀測結果，歸納出各種現象的規律性，和其中各因素演變的因果關係，也就發現了一連串的物理定律。

在這些定律的指引下，人類製作觀測儀器的材料和技術不斷進步，觀測範圍、精密程度跟著提升。於是，又發現更多定律，也需要修改或制定更多適用的單位。「單位」和「定律」互相激盪著，人類的智慧和努力寫出了許多動人的故事，因而日本牛頓雜誌社在2014年出版「單位與定律」一書。由於國際度量衡大會在2019年修訂部分單位的定義，「單位與定律」的修訂版問世，人人出版社將這本好書譯成中文。

本書包括兩部分：從序言到第3章陳述「單位」的發展史，以及各種單位的定義；第4章到第10章解說和「單位」有密切關係的各種「定律」。因為「單位」是因量度的需要而制定，而量度時所觀測的大多屬於物理現象，觀測儀器和技術大多運用物理學原理而建立，所以本書主要介紹物理學定律，即使化學定律的基礎依然是物理學。最後一章的生物學定律，則屬於新的範疇。

第1章從長度、質量、時間這些最基本的物理量所用的單位說起，向讀者說明一系列「基本單位」的沿革。以生動的插圖，及精心製作的表格，呈現文章內容的重點。例如24、25兩頁的插圖顯示：「公尺」的定義從最早以地表兩定點間的距離為依據，到以「公尺原器」兩刻線間的距離為標準，再到現在藉助於光速恆定的特性而制定。圖裡附加適當篇幅的說明，讓讀者聯想到本文中較詳細的介紹，而能體會修改定義的原因，和修改後提升觀測精確度的結果。

不論生活上或科技研發方面，長度、質量、時間不足以表達物件與現象的規模及演變。例如脈搏可能「用手指感測」（把脈）或是以「壓力感測器測量」或「經由心電圖等電子儀器觀測」，而測量內容包括「每秒幾次」、「每次搏動的強弱」等資訊，所以我們需要頻率、能量、電壓這些「導出單位」。

在第2章開頭，作者以聲波和電磁波的頻率為例，說明振幅、頻率、週期、波長的定義，以及頻率與波的效應（是否聽得見、醫療上的用處等）之間的關係。插圖及相關說明很鮮明易懂，可讓讀者留下深刻印象。作者在解說力、能量、功和功率、電磁場的主要物理量、壓力、光通量和照度、酵素活性、放射活性及生物等效劑量這些觀念與單位時，也一樣用容易體會的方式編製插圖，使讀者容易接收陌生領域裡的資訊。

為了表示地震具有的威力來源，以及在各地造成的震動效果，地球科學界觀測並分析地震時震源地質結構的變化，並研究人體對於震動程度的感受和當地的加速度之間的關係，建立「地震規模」和「震度」的觀念。表達這兩個觀念的數值（例如規模6.3、震度4級），是經由精確規定的量度方法和計算產生的，但不能冠上前述的某種基本單位和導出單位。這兩個觀念的數值大小，具有明確的實用意義，它們各自構成一種「特殊單位」。第3章第1節的詳細解說（包括插圖和附表），可以讓讀者體會這種特殊單位的意義，也有助於理解氣象局發布的地震消息內容。

類似地，位元（bit）和位元組（byte）是用來計量資訊量的觀念。因為它們的數值是依照精確定義產生的，也就形成另一種「特殊單位」。第3章的各節，詳細而清楚地解釋許多種特殊單位。例如斤、兩、磅是在日常生活中會用到的質量單位，經由規定舊有單位與國際單位的換算而定義的。又如光年與天文單位，是簡潔表達宇宙間的長距離所需而制定的。

值得提醒讀者注意的一個單位，是表示容積和體積的「毫升」（milliliter），它的縮寫是「ml」。但是很多人把ml讀作mol，變成物質量的單位「莫耳」。正確的做法是把它唸成milliliter，或依照從前表示相同意思的「立方公分」（cm3）之縮寫「cc」。

第4章到第8章，實際上是一部插圖豐富精美的物理學科普教材，從經典物理的力學，談到近代物理的相對論、量子論和宇宙學。它選用的題材，一方面呼應前文的單位之定義及由來，使讀者領悟到制訂那些單位的必要性；另一方面，可以欣賞制定單位過程展現的人類智慧之美。

第9章列舉一些化學定律。本文及插圖讓讀者從分子、原子、電子等微粒的行徑（包括排列、運動、碰撞等），認識支配（造成）各種現象的機制，以詮釋各定律中的相關變因及呈現的結果。

第10章以遺傳學中的孟德爾定律及哈代-溫伯格定律，和神經傳導訊息的全有全無定律，作為生物學定律的範例。只用文字敘述，很難將這類題材傳達給讀者。本章精心製作的示意圖，鮮明地呈現基因的可能組合方式，以及刺激強度與鈉離子流動與否的關係，因而幫助讀者了解造成種種遺傳效應的原因，和神經對刺激能否產生反應的條件。

本書的共同作者都是「單位與定律」相關領域的專家。他們有條理地將工作及研究的心得，融入本書的文字及插圖中。在本書各章，常會看到一個項目以不同的層次反覆呈現，因而能使讀者對書中題材感到興趣、細心閱讀，逐步增進了解程度，並啟發深入思考、謹慎推理的好習慣。這是一本圖文並茂、引人入勝的科普好書！