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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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。

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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。

《物理學的演進》立體書封。(商周)
《物理學的演進》立體書封。(商周)

*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。。

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