愛因斯坦的著作─機械觀的興起《物理學的演進》摘文

2021-04-23 04:20

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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:

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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。

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