從亞里士多德到牛頓統一天上和地下的力，過程是這樣的！

導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的，但世界的確定性不是我們能把我的。

我相信每一個了解過物理學探索過程的人，都是會覺得這是一首晦澀的詩歌，這是一幅抽象的圖，這是一場沒有結局的戰爭，這是一個讓無數青年才俊沸騰的天堂。

今天我帶大家來走進宏觀物理學的殿堂，來認識一下有哪些人在這個殿堂里留下了名字？ 他們說了什麼？ 他們做了什麼？他們還有什麼難言之隱？

我們知道物理學主要是研究物質、能量及它們彼此之間的關係。它是最早形成的自然科學學科之一。最早的物理學著作是古希臘科學家亞里士多德的《物理學》。而形成物理學的元素主要來自對天文學、光學和力學的研究，而這些研究通過幾何學的方法統合在一起形成了物理學。

自希臘遠古時期 (公元前 650–480 年)，前蘇格拉底哲學家逐漸理性地認識自然。 其中米利都的哲學家泰勒斯因為拒絕以各種超自然，宗教或神話的方式解釋自然現象，所以人們稱他為科學之祖。此外，泰勒斯宣稱每個事件皆有僅需訴諸自然的原因。

公元前 580 年，泰勒斯貢獻良多，他推測水是萬物之源，作磁鐵與琥珀的吸引實驗，並且形式化史上第一筆的天文學知識。作為史上首位提出演化思想而聞名的人，阿那克西曼德，並不同意泰勒斯的「水是萬物之源」觀點。他主張無窮才是萬物的基石。

大家注意，無論是泰勒斯還是阿那克西曼德的觀點，都是具有樸素的唯物主義觀點的。水是萬物之源的觀點，類似中國的五行說。而無窮是萬物基石的概念，和中國老子的道如出一轍。但老子的學說更形象化。所以古往今來，至今不衰。

大約於公元前 500 年，赫拉克利特主張只有少數幾個掌控宇宙的基本定律才是萬物變化的原理，並且，任何事物隨時都在變化；沒有事物能永恆地維持在相同狀態中。這個觀點在當時來說很前衛。

早期的哲學家，留基伯堅決反對神、上帝藉由天意來影響自然現象，並主張任何自然現象都是必然的。留基伯與他的學生，德謨克利特，為史上首先提出原子論的人，主張任何一切物質皆由各種不可分割、不滅的稱作原子的元素所組成。在經典希臘時期以及希臘化時代，亞里士多德寫下史上第一本被稱作物理學的書，日後成為著名的亞里士多德物理學，他企圖藉由四元素解釋物體的運動（以及落體現象）。亞里士多德相信，所有物質都由以太，或另外的四元素所組成：土、水、風、火。而中國的五行說是：金，木，水，火，土。 現在依然在使用，廣泛用於風水，占卜，中醫等。

根據亞里士多德理論，這四個元素能夠相互轉換，並且朝向它們各自的自然位置移動。因此，石頭往宇宙中心【即地球中心】墜落，但火總是往地球外圍靠近。

【左圖為古希臘哲學家阿基米德。他曾說：給我一個支點，我可以撬動地球。】雖然亞里士多德的很多理論在現在看來是錯誤的，但我們不能否認人類的認識就是從他的基礎上，不斷深化，否定又肯定，否定又肯定，才有了我們現在的物理學體系。先是經典物理學迅速發展起來，經典物理學指的是不涉及到量子力學或相對論的物理學，例如，牛頓力學、熱力學、麥克斯韋電磁學等等。而經典物理學，繞不開談力學。力學是最原始的物理學分支之一，而最原始的力學則是靜力學。靜力學源於人類文明初期生產勞動中所使用的簡單機械，如槓桿、滑輪、斜面等。

古希臘人從大量的經驗中了解到一些與靜力學相關的基本概念和原理，如槓桿原理和阿基米德定律，這是我們初中學習的內容。

從1609至1619年期間，天文學家約翰內斯·開普勒先後發現開普勒行星運動三大定律，準確估算出從天文觀測獲得的行星繞著太陽的公轉數據，總結了他的老師第谷·布拉赫畢生的觀測數據。他的貢獻為人類進一步研究天體物理，和後來的牛頓萬有引力打下了良好的基礎。

到了17世紀，自然哲學家逐漸展開了一場針對中世紀經院哲學的進攻，他們持有的觀點是，從力學和天文學研究抽象出的數學模型將適用於描述整個宇宙中的運動。被譽為「現代自然科學之父」的義大利物理學家、數學家、天文學家伽利略·伽利萊就是這場轉變中的領軍人物。

伽利略所處的時代正值思想活躍的文藝復興之後，在此之前列奧納多·達芬奇所進行的物理實驗、尼古拉斯·哥白尼的日心說以及弗朗西斯·培根提出的注重實驗經驗的科學方法論都是促使伽利略深入研究自然科學的重要因素，哥白尼的日心說更是直接推動了伽利略試圖用數學對宇宙中天體的運動進行描述。

伽利略意識到這種數學性描述的哲學價值，他注意到哥白尼對太陽、地球、月球和其他行星的運動所作的研究工作，並認為這些在當時看來相當激進的分析，將有可能被用來證明經院哲學家們對自然界的描述與實際情形不符。

【左圖為達芬奇自畫像】

伽利略進行了一系列力學實驗闡述了他關於運動的一系列觀點，包括藉助斜面實驗和自由落體實驗批駁了亞里士多德認為落體速度和重量成正比的觀點，還總結出了自由落體的距離與時間平方成正比的關係，以及著名的斜面理想實驗來思考運動的問題。他在1632年出版的著作《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中提到：「只要斜面延伸下去，球將無限地繼續運動，而且不斷加速，因為此乃運動著的重物的本質。」伽利略在天文學上最著名的貢獻是於1609年改良了折射望遠鏡，並藉此發現了木星的四顆衛星、太陽黑子以及金星類似於月球的相。

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可以誇不誇張的說，很多現代物理學大咖們都是受伽利略的影響最深。他的實驗方法，他的理論都是經典物理的基礎，基石。牛頓據此建立了牛頓三大定律；愛因斯坦通過深刻了解慣性，慣性系和運動的關係，建立了狹義相對論。

1687年，英格蘭物理學家艾薩克·牛頓出版了《自然哲學的數學原理》一書，這部里程碑式的著作標誌著經典力學體系的正式建立。牛頓在人類歷史上首次用一組普適性的基礎數學原理——牛頓三大運動定律和萬有引力定律——來描述宇宙間所有物體的運動。

牛頓放棄了物體的運動軌跡是自然本性的觀點（例如開普勒認為行星運動軌道本性就是橢圓的），相反，他指出，任何現在可觀測到的運動、以及任何未來將發生的運動，都能夠通過它們已知的運動狀態、物體質量和外加作用力並使用相應原理進行數學推導計算得出。

伽利略、笛卡爾的動力學研究（「地上的」力學），以及開普勒和法國天文學家伊斯梅爾·布里阿德在天文學領域的研究（「天上的」力學）都影響著牛頓對自然科學的研究。（布里阿德曾特別指出從太陽發出到行星的作用力應當與距離成平方反比關係，雖然他本人並不認為這種力真的存在）。

1673年惠更斯獨立提出了圓周運動的離心力公式（牛頓在1665年曾用數學手段得到類似公式），這使得在當時科學家能夠普遍從開普勒第三定律推導出平方反比律。

羅伯特·胡克、愛德蒙·哈雷等人由此考慮了在平方反比力場中物體運動軌道的形狀，1684年哈雷向牛頓請教了這個問題，牛頓隨後在一篇9頁的論文中做了解答。在這篇論文中牛頓討論了在有心平方反比力場中物體的運動，並推導出了開普勒行星運動三定律。

其後牛頓發表了他的第二篇論文《論物體的運動》，在這篇論文中他闡述了慣性定律，並詳細討論了引力與質量成正比、與距離平方成反比的性質以及引力在全宇宙中的普遍性。這些理論最終都匯總到牛頓在1687年出版的《原理》一書中，牛頓在書中列出了公理形式的三大運動定律和導出的六個推論（由此，牛頓統一了「天上的」和「地上的」力學，建立了基於三大運動定律的力學體系。

所以大家可以看到，一個偉大的理論的誕生，往往不是一個人完成的。每個人的理論都是在他人的理論之上創新的。

牛頓的原理引起了歐洲大陸哲學家們的爭議，他們認為牛頓的理論對物體運動和引力缺乏一個形而上學的解釋，從而是不可接受的。從1700年左右開始，大陸哲學和英國傳統哲學之間產生的矛盾開始升級，裂痕開始增大，這主要是根源於牛頓與萊布尼茲各自的追隨者就誰最先發展了微積分所展開的唇槍舌戰，在此不作詳細說明。

牛頓的理論體系是建立在他的絕對時間和絕對空間的假設之上的，牛頓對時間和空間有著如下的理解：

1、絕對的、真正的和數學的時間自身在流逝著，而且由於其本性而在均勻地、與任何外界事物無關地流逝著。

2、絕對空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關而永遠是相同的和不動的。

牛頓從絕對時空的假設進一步定義了「絕對運動」和「絕對靜止」的概念，為了證明絕對運動的存在性，牛頓還在1689年構思了一個理想實驗，即著名的水桶實驗。

在水桶實驗中，一個注水的水桶起初保持靜止。當它開始發生轉動時，水桶中的水最初仍保持靜止，但隨後也會隨著水桶一起轉動，於是可以看到水漸漸地脫離其中心而沿桶壁上升形成凹狀，直到最後和水桶的轉速一致，水面相對靜止。

牛頓認為水面的升高顯示了水脫離轉軸的傾向，這種傾向不依賴於水相對周圍物體的任何移動。牛頓的絕對時空觀作為他理論體系的基礎假設，卻在其後的兩百年間倍受質疑。特別是到了十九世紀末，奧地利物理學家恩斯特·馬赫在他的《力學史評》中對牛頓的絕對時空觀做出了尖銳的批判。而愛因斯坦從馬赫原理收到啟發，在狹義相對論的基礎上，創立了廣義相對論。

摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

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