偉大的解謎故事
我們設想有一個完美的解謎故事。必要的線索都在故事裡，促使我們拼湊出案件的始末。如果我們細心分析情節，在故事結尾，結局揭曉前，就能靠自己找出完整的謎底。和次等謎題的謎底比起來，完美解謎故事的謎底絕不會讓我們失望，而且，它總是在我們預期的時機浮現。
我們可以把故事的讀者比喻成一代又一代的科學家，假設他們正尋找著自然之書的謎底嗎？這個類比不能成立，不一會就必須放棄。不過，它還是有那麼一點道理，只要稍加延伸與修改，就會更貼近科學追尋宇宙之謎的種種努力。
偉大的解謎故事還沒有解開。我們甚至不能確定謎題有最後的答案。故事本身已經讓我們受益良多；它教會我們自然語言的基礎、使我們讀懂自然的線索，也是多數時間折磨人的科學進程中那喜樂和振奮人心的源泉。但是雖然我們已經讀過、解開過關於故事謎題的許多章節，我們仍能意識到離完整的解答還有很長的路要走，而且前提是最後答案確實存在。在每個段落，我們試著找出與所有已發現的線索互相連貫的解釋。不過人們暫時接受的理論儘管符合所有已知線索，卻不會有單一答案能符合全部的線索。看似無懈可擊的理論，在進一步的閱讀中被證明不夠完備是常有的事。與現有的理論矛盾或無法解釋的新現象不斷出現。我們不斷前進，完美的解答似乎也不斷遠離我們。但是即便如此，我們讀得越多，越能領會故事的完美結構。
自從柯南道爾（Canon Doyle）寫出那些令人敬佩的小說以來，幾乎在每部推理小說，偵探都能在解謎的某個時間點，蒐集到足夠的事實。這些事實多半相當詭異、不連貫，而且毫無關連。然而了不起的偵探都了解，在這個時間點已經無須搜查，純粹的推理就足以找出事實間的關連。所以他拉起小提琴，或在扶手沙發上游刃有餘抽著菸斗，突然間，嘿！有了！他不僅找到一套理論來解釋手頭上的線索，也確定必然有其他事件同時發生。因為我們的偵探知道其他事件發生的準確地點，如果他想，就能出一趟門，帶回證物，進一步確認他的理論。
閱讀自然之書的科學家—請容我們再次重複這個有些過度使用的詞—必須自己找答案。因為他不能像某些不耐煩的讀者，直接跳到其他故事的結尾。對我們來說讀者同時也是偵探，要找出種種事件與全書的豐富脈絡之間的連結。要想得到答案，即便只是其中一小角，科學家也必須蒐集整理雜亂無章的現象，利用創造力讓這些現象變得連貫、可理解。
接下來的章節，我們的目標是大略描述物理學家的工作，並對應到偵探們純粹的思索過程。我們的焦點是各種觀點和想法在探索物理世界的過程中所扮演的角色。
第一條線索
人類解讀偉大解謎故事的嘗試，和他們的思想史一樣悠久。但直到300多年前，科學家才逐漸理解故事所使用的語言。從牛頓（Isaac Newton，1642-1727）和伽利略（Galileo Galilei，1564-164）的年代開始，解讀的進度突飛猛進。人們發展出研究調查的技術，以及尋找與鑽研線索的系統化方式。自然之謎的一角被解開，雖然在進一步研究中，很多答案被證明有欠深慮，經不起時間的考驗。
幾千年來，有個非常基本的問題一直隱藏在自身的複雜性中，那就是運動。我們在自然界觀察到的所有運動，像是拋到空中的石頭、海上航行的船隻、街上移動的推車等，事實上都相當複雜。要理解這些現象，比較聰明的做法是在可能的範圍裡，從最單純的狀況著手，再逐漸推演到複雜的狀況。一個靜止物體，表示沒有任何運動發生。要改變這個物體的位置，就要對這個物體施加一些影響，推它一把、把它舉起來，或是讓其他物體作用在它身上，像是馬匹或蒸汽引擎。直覺上我們會把運動和推、舉、拉等動作連結在一起。多次經驗下來，我們大膽地進一步推測，如果想讓物體移動更快，就得更用力地推動物體。如此一來，得到的結論自然是施加在物體上的作用越強，物體速率越快。4隻馬拉的馬車，比只有2隻馬拉的馬車跑得快。直覺告訴我們，速率基
本上和作用力掛勾。
偵探小說的讀者一定對假線索混淆整個故事並使答案遲到的狀況不陌生。由直覺主宰的推理方式往往是錯的，它造成幾個世紀以來人們對運動的錯誤認知。亞里斯多德（Aristotle，前384-前322）橫跨歐陸的巨大影響力，大概是運動的直覺性認知獲得長時間信任的主因。長達2000年的時間，《力學》（Mechanics）普遍被認為是亞里斯多德的著作，我們可以讀到：
當持續推動物體的力，無法繼續作用於推動物體時，移動的物體就會停下。
伽利略發現並發揚光大的科學推理方法，是人類思想史上最重要的成就之一，同時也標誌物理學的起源。透過他的發現，人們了解不能盡信以當下的觀察為基礎做出的直覺性推論，因為它有時會給出錯誤的線索。
但是，直覺在哪裡出錯了？一部馬車，比起由2隻馬拉，由4隻馬拉跑得更快，這句話有出錯的可能嗎？
讓我們進一步檢驗關於運動的基本現象，起點是一個日常的經驗，也是人類有文明以來就已熟悉的、從生存的奮鬥中得來的經驗。
在平坦的路上，假設有個推手推車的人突然鬆手，停止推動車子。推車在停止之前會繼續移動一小段距離。我們問：如何增加鬆手後推車移動的距離？有不少方法都能辦到，像是為輪胎上油或把路面變平滑。輪胎越易於轉動、路面越平滑，推車持續移動的距離就會更遠。那麼上油或整平路面的動作，造成了什麼不同？唯一的改變是：外來影響因此變小了。變小的是名為摩擦的效應，在輪胎本身以及輪胎與路面之間都能見到。這段話已經算是針對可觀測證據的理論性詮釋了，不過，這個詮釋事實上太過武斷。再踏出重要的一步，我們就能獲得正確的線索。想像一個完美平滑的路面及沒有任何摩擦效應的輪胎。如此一來，使推車停下的因素就沒有了，所以它會永遠移動下去。這項結論只能透過理想實驗的想像中獲得。因為我們無法排除所有外部的效應，理想實驗實際上不可能做到。但是理想實驗找到的線索，正是建構運動機制的基礎。
將兩種解題的思路放在一起比較，我們可以說：直覺性推論認為作用力越強，速度越快。因此，速度代表的是有無外力作用在物體上。伽利略發現的新線索則表明：如果物體不是被推動、拉動，或是以任何方式受到作用力的影響，物體的運動將保持一致。簡單來說，如果沒有外力作用在物體上，它會持續沿直線等速運動。因此，速度並無法代表有無外力作用在物體上。伽利略的結論是正確的，一個世代後的牛頓，據此整理出慣性定律（Law of inertia）。在學校學物理時，慣性定律經常是第一個需要多加思索的地方，有些人可能記得：
物體會保持靜止狀態，或者沿直線維持一致的運動狀態，除非它受到力的影響，被迫改變運動狀態。
實驗無法直接得出慣性定律，只有與觀察結果一致的猜測性思考才能做到。現實世界永遠無法進行理想實驗，即便如此，理想實驗仍能為真實實驗帶來重要的理解。
世界上有各種複雜的運動形態，我們選擇等速運動作為第一個例子。它是最單純的運動，因為沒有外力在作用。然而等速運動不可能實現，塔上拋下的石頭、路上推動的推車不可能進行嚴格的等速運動，我們無法消除外力的影響。
在比較好的解謎故事中，太明顯的線索經常是人們猜測錯誤的源頭。在理解自然定律的嘗試中，我們發現淺白的直覺性解釋通常是錯的，這與解謎故事非常類似。
人類的思考創造出不斷變動的宇宙圖像。伽利略的貢獻是摧毀了直覺觀點，並以新的觀點取而代之。伽利略的發現的重要性即在於此。
然而，有關運動的進一步問題幾乎同時產生。如果速度不能代表外力作用在物體上，那什麼能？伽利略找到了這個基本問題的答案，牛頓發現了更加精確的版本，他的工作成為我們進一步調查的線索。
為了找到正確答案，我們勢必要更深入考察完美平滑路面上的推車。在理想實驗中，運動狀態保持一致的原因是外力的缺席。我們現在想像一部等速運動的推車，沿著運動方向被推了一下。之後會發生什麼事？推車速率明顯增加了。同樣明顯的，如果沿著與運動相反的方向推動推車，將使速率降低。在第一個例子的推動使推車加速，第二個例子則是減速，或者說慢了下來。一個結論隨即產生：外部力的作用會改變速度。由此可知，速度本身並不是推力或拉力的結果，它的變化才是。力的作用方向是運動方向的順向或反向，決定了物體速度是增加或減少。伽利略明確地理解了這個現象， 並記錄在他的著作《兩種新科學》（The two new sciences）：
⋯⋯任何加諸移動物體的速度，只要造成加速或阻滯的外在因素被移除，將會嚴格地保持相同。這樣的條件只能在水平面上找到。因為下斜面已經具有造成加速的因素；而上斜面則存在阻滯的因素。由此可知，水平面上的運動是永久的，原因是，如果想使速度保持一致，它就不能減少或散逸，更別說被摧毀。
在正確線索的指引下，我們對運動問題有了更深層的理解，不僅肯定了力與速度變化之間的相關性，也否定了直覺性的想法，也就是力與速度本身具有相關性。這些理解是牛頓建構古典力學的根基。
我們利用了兩個在古典力學占據主角地位的觀念：力，以及速度的改變。兩個觀念將隨著科學進展得到延伸與推廣。因此它們有必要被進一步仔細檢視。
力是什麼？我們能直觀感受到這個詞的意思。這個觀念從推、丟、拉等動作中誕生，從我們的肌肉感覺到這些動作時產生。不過，經過推廣，力的觀念獲得遠遠超乎剛才單純例子的涵義，我們甚至不用想像馬拉馬車的畫面，就能思考力。例如我們談到引力，太陽與地球、地球與月球之間都存在引力，它也是造成潮汐的諸多作用力的一環；我們談到一種力，地球透過它迫使我們與周遭物體待在它的勢力範圍；還有一種力，隨著風，在海上產生波浪，在森林拂動枝葉。在任何時刻、任何地點，當我們觀察到速度的變化，一般都是外部力的作用。牛頓在《原理》（Principia）一書寫道：
作用力（Impressed force）是一股加諸於物體的作用，使物體的狀態改變。物體的狀態不是靜止，就是沿直線等速運動。
作用力只在作用當下存在，作用結束時不會留在物體中。物體若要維持任何新取得的狀態，只需要透過本身對運動狀態改變的抵抗（vis inertiae）。作用力有很多種來源，像是打擊、壓力或是向心力。
如果石頭從某個塔頂落下，它的運動不可能是等速的，速度會隨著石頭掉落而增加。於是我們獲得結論：有一個外部力，沿運動方向作用在石頭上，換句話說，地球正在吸引石頭。我們再看另一個例子。如果石頭朝著正上方丟出去，會發生什麼事？它的速度會變慢，直到抵達最高點，再開始下墜。使物體加速和減速的力是同一種。在加速的情況中，力沿著運動方向作用；在減速的情況中，力作用在反方向。兩個情況的力是一樣的，根據石頭是墜落或上升，力造成了加速或減速的結果。
＊本書選自商周出版的新書《物理學的演進》；作者阿爾伯特‧愛因斯坦（Albert Einstein）為猶太裔物理學家，現代物理學奠基人。被認為是科學史上最重要的理論物理學家之一，狹義相對論和廣義相對論的開創者。他對物質結構、空間和時間及引力性質的研究，徹底改變了牛頓時代以來人們的世界觀。最為人知的是其質能等價公式E=mc2，因「對理論物理學的貢獻，尤其是他發現了光電效應的規律」而獲1921年諾貝爾物理學獎。利奧波德‧英費爾德（Leopold Infeld）為波蘭科學院院士、理論物理學家。曾在美國普林斯頓高級研究院工作，與愛因斯坦共事。曾與愛因斯坦、霍夫曼合作，在廣義相對論中由場的方程式得出了物體吸引的滿意理論。。
