50則非知不可的物理學概念（2版）

02牛頓運動定律（Newton's laws of motion）
牛頓是有史以來最卓越、最負爭議，也最具影響力的科學家之一。他發明了微積分、解釋了萬有引力，並且確認了白光的顏色組成。他的三大運動定律，說明了高爾夫球為什麼會沿著弧線滾動、為什麼車子在轉彎的時候車裡的人會被擠到一側，以及為什麼我們在打到球的時候會從球棒上感受到力。

雖然在艾薩克‧牛頓（Issac Newton）的時代還沒有發明機車，不過他的三大運動定律也可以解釋特技騎士如何能騎上與地面垂直的死亡之牆，以及奧運自行車選手如何能在傾斜的車道上競賽。
十七世紀的牛頓，被視為科學界最重要的傑出份子之一。他以自身的高度好奇性格，理解到某些看似最簡單、但卻相當深奧的世界面向，例如拋出的球如何以弧線劃過空中、東西為什麼會往下掉而不是向上飛，以及行星如何繞著太陽運轉。
一六六○年代，還是個劍橋大學普通學生的牛頓，已經開始閱讀偉大的數學著作。因為這些閱讀，讓他的興趣從民法轉向物理定律。之後，當學校因為爆發瘟疫而關閉時，待在家裡的牛頓開始踏出了發展三大運動定律的第一步。

力 牛頓借用伽利略的慣性定律，訂定出第一運動定律。第一定律是說物體除非有外力作用，否則不會移動或改變速度。除非有外力施加，否則沒有運動的物體會保持不動；


P 009
牛頓的運動定律
第一定律 若沒有施加力改變速度或方向，物體會以相同速度做直線運動或保持不動。
第二定律 力產生的加速度跟物體的質量成反比（F = ma）。
第三定律 每個作用的力都會產生一個相等且相反的反作用力。


正以固定速度運動的物體，會以同樣的速度運動，除非對其施加外力。力（例如推）提供了改變物體速率的加速度。加速度是指在一定時間內的速度變化。
從我們的自身經驗裡很難體會到這點。如果我們丟出曲棍球的冰球，它會掠過冰面然後因為冰的摩擦力而漸漸變慢。摩擦力是造成冰球減速的力。不過牛頓的第一定律，是在沒有摩擦力的地方才有的特例。離我們最近的這種地方是太空，然而就算是在太空，還是有像引力的力在作用。但無論如何，第一定律提供了基本的標準來瞭解力與運動。

加速度 牛頓的第二運動定律跟力的大小與其產生的加速度有關。讓物體加速所需的力，跟物體的質量成比例。重的物體（或慣性較大的物體），需要較大的力來使其加速。因此，若在一分鐘內要讓一百公斤的汽車從靜止加速到時速100公里，需要的力等於汽車的質量乘上每單位時間增加的速率。

大事記
大約西元前350年 亞里斯多德在《物理學》（Physics）一書中提出運動是由於持續的改變所引起。
西元1640年 伽利略提出慣性定律。
西元1687年 牛頓出版了《自然哲學的數學原理》。
西元1905年 愛因斯坦發表狹義相對論。


P 010
牛頓的第二定律可以數學式表示：F = ma，力（F）等於質量（m）乘以加速度（a）。將這個定義轉換一下，第二定律也可以另一種方式呈現，亦即加速度等於每單位質量所需的力。如果要保持固定的加速度，每單位質量的力也不能改變。因此，無論體積是大、是小，只要是移動質量一公斤的物體，所需的總力都相同，這點說明了伽利略的想像實驗：如果同時丟下鐵球和羽毛，哪一個會先落地？就我們所想，可能會認為鐵球會比飄盪的羽毛先抵達地面。然而，那只是因為空氣的阻力讓羽毛飄起來。如果沒有空氣，兩者就會以相同的速率下降，一起抵達地面。它們經歷著相同的加速度、引力，所以會一起墜落。1971年，阿波羅15號（Apollo 15）的太空人在月球上展示了這點，那裡因為沒有大氣使物體減速，因此羽毛落下的速率跟地質學家的沈重鐵鎚完全一樣。

作用力等於反作用力 牛頓的第三定律是任何施加在物體上的力，都會產生由物體發出的相同且反向的力。換句話說，每個力都會有個反作用力。相反的力感覺像是反衝。如果溜冰的人推一下另一個人，他會在推同伴的身體時自己也往後退。槍手在他射擊的時候，會感到步槍在肩膀上的後座力。後座力的大小，跟原來的推力或施加在子彈上的力相同。在警匪片中，被槍擊的受害者通常會被子彈的力推著向後倒。其實這是騙人的。如果力真的那麼大，那麼射擊者應該也會被自己的槍的後座力往後擊倒。就連我們往上跳離地面時，我們也對地球施加了小小的向下的力，但由於地球的質量比我們大上太多，所以很難發現。
有了這三大定律再加上萬有引力，牛頓幾乎可以對所有的物體運動加以解釋，從掉落的橡實到大砲擊出的砲彈。有了這三條公式，他可以充滿自信地爬上高速的摩托車，加速登上死亡之牆，或者去做他的年代有的這類事情。你有多相信牛頓的定律呢？第一定律說，摩托車和騎士想以特定的速度往一個方向保持前進。但為了讓摩托車維持圓形的移動，根據第二定律，就需要提供封閉力來持續改變它的方向，在這個例子中是由車道透過輪子施加的力。而所需的力，必須是摩托車加騎士的質量再乘上加速度。


P 011
牛頓（1643～1727年）
牛頓是英國第一位獲頒爵士榮譽的科學家。雖然他在學校的時候總是「無所事事」、「漫不經心」，而且就讀劍橋大學時還是個名不見經傳的學生，不過在1665年的夏天，當學校因為瘟疫而關閉時，他卻突然地大放異彩。牛頓回到位在林肯郡（Lincolnshire）的家，全心投入數學、物理和天文學，甚至擬定微積分的基礎。他在那兒產生了三大運動定律的雛形，並且推論出萬有引力的平方反比定律。在發表這些卓越的概念之後，牛頓於1669年得到盧卡斯數學教授席位（Lucasian Chair of Mathematics），當時的他年僅二十七歲。牛頓後來將注意力轉向光學，透過三稜鏡發現白光是由七彩顏色組成，關於這點，他曾與虎克（Robert Hooke）和惠更斯（Christiaan Huygens）發生過著名的爭論。牛頓的主要著作有兩本：《自然哲學的數學原理》（Philosophiae naturalis Principia Mathematica）或簡稱《原理》（Principia）以及《光學》（Opticks）。在他職業生涯的後期，牛頓活躍於政壇。他在詹姆斯二世（King James II）試圖干預大學委任時，起身捍衛學術自由，並在1689年進入國會。牛頓有著矛盾的性格，一方面想要得到注意，另一方面又很退縮而且想避免批評，他利用自己的職位權力殘酷打擊他在科學上的敵手，因此在他過世之前，形象都一直備受爭議。


然後第三定律解釋了因為產生反作用力，所以車道上的摩托車會施加的壓力。就是這個壓力，將特技騎士黏在傾斜的牆上，如果摩托車的速度夠快，甚至還可以騎上垂直牆面。
即使到了現代，牛頓定律的知識也足以說明快速駕駛車子繞過轉彎處、或（純屬假設）撞毀車子所需的力。至於牛頓定律無法解釋的，則是接近光速運動、或質量極小的東西。這些極端的情況，就由愛因斯坦的相對論和量子力學來接手說明。

重點概念
運動無所遁形

02牛頓運動定律（Newton's laws of motion）
牛頓是有史以來最卓越、最負爭議，也最具影響力的科學家之一。他發明了微積分、解釋了萬有引力，並且確認了白光的顏色組成。他的三大運動定律，說明了高爾夫球為什麼會沿著弧線滾動、為什麼車子在轉彎的時候車裡的人會被擠到一側，以及為什麼我們在打到球的時候會從球棒上感受到力。

雖然在艾薩克‧牛頓（Issac Newton）的時代還沒有發明機車，不過他的三大運動定律也可以解釋特技騎士如何能騎上與地面垂直的死亡之牆，以及奧運自行車選手如何能在傾斜的車道上競賽。
十七世紀的牛頓，...

當我跟朋友提到這本書的時候，他們都開玩笑地說，關於物理，你真的一定得知道的第一件事情就是：物理很難。儘管如此，我們每天都還是會用到物理。當我們看著鏡子、或戴上眼鏡時，我們會用到物理的光學。當我們調鬧鐘時，我們就進入了時間的軌道；當我們使用地圖時，我們遨遊在幾何的空間。我們的手機，藉由看不到的電磁波連上衛星，讓我們彼此聯繫。然而，物理學並不全然屬於技術層面。沒有了物理，就沒有月亮、彩虹、鑽石。即便是在血管裡流動的血液，都遵循著物理定律，所以這是一門自然界的科學。
現代物理學充滿了驚奇。量子物理透過質疑物體存在的特有概念，顛覆了我們對世界的認識。宇宙論提問的則是宇宙到底是什麼。宇宙如何形成，而我們為何在此？我們的宇宙是否很特別，或者其實是某種必然的結果？往原子內部看去，物理學家們發現一個潛藏的、幽靈般的基本粒子世界。就算是最堅硬的桃花木桌子，最主要的組成卻也是「空的空間」，其中的原子是由核力的支架來支撐。物理學源自於哲學，某種程度又因為凌駕日常經驗的新穎且意想不到的世界觀，返回到哲學。
然而，物理學不只是虛構想法的集合，而是根植於事實和實驗。科學方法不斷地提升物理定律，就像電腦軟體會抓蟲並且增加新的模組。若有了證據可依，就能容許重大的思考轉換，但接受則需要時間。哥白尼（Copernicus）提出地球繞太陽轉的想法（日心論），花了一世紀以上的時間才被廣為接受，不過接受新知的速度已逐漸加快，像是量子物理和相對論，在十年內就加入了物理學的行列。但即便是最成功的物理定律，仍然得持續不斷地繼續接受檢驗。
本書將帶領你來一趟短短的物理世界之旅，從基本的概念，像是地心引力、光和能量，到量子理論、混沌以及暗能量等現代物理學。希望這本書能像是一本精彩的旅遊書，吸引你去發現更多物理的奧妙。其實，物理不只是基本原則，而且還相當有趣！

當我跟朋友提到這本書的時候，他們都開玩笑地說，關於物理，你真的一定得知道的第一件事情就是：物理很難。儘管如此，我們每天都還是會用到物理。當我們看著鏡子、或戴上眼鏡時，我們會用到物理的光學。當我們調鬧鐘時，我們就進入了時間的軌道；當我們使用地圖時，我們遨遊在幾何的空間。我們的手機，藉由看不到的電磁波連上衛星，讓我們彼此聯繫。然而，物理學並不全然屬於技術層面。沒有了物理，就沒有月亮、彩虹、鑽石。即便是在血管裡流動的血液，都遵循著物理定律，所以這是一門自然界的科學。
現代物理學充滿了驚奇。量子物理透過...

緒論

物質運動
01馬赫原理
02牛頓運動定律
03克卜勒定律
04牛頓萬有引力定律
05能量守恆
06簡諧運動
07虎克定律
08理想氣體定律
09熱力學第二定律
10絕對零度
11布朗運動
12混沌理論
13白努利方程式

波的秘密
14牛頓顏色理論
15惠更斯原理
16司乃耳定律
17布拉格定律
18夫琅禾費繞射
19都卜勒效應
20歐姆定律
21弗來明右手定則
22馬克士威爾方程式

量子謎題
23普朗克定律
24光電效應
25薛丁格波動方程式
26海森堡測不準原理
27哥本哈根詮釋
28薛丁格的貓
29 EPR悖論
30包立不相容原理
31超導性

解開原子結構
32拉塞福的原子
33反物質
34核分裂
35核融合
36標準模型
37費曼圖
38上帝粒子
39弦理論

時間和空間
40狹義相對論
41廣義相對論
42黑洞
43奧伯斯悖論
44哈伯定律
45大爆炸
46宇宙膨脹
47暗物質
48宇宙常數
49費米悖論
50人擇原理

詞彙表

緒論

物質運動
01馬赫原理
02牛頓運動定律
03克卜勒定律
04牛頓萬有引力定律
05能量守恆
06簡諧運動
07虎克定律
08理想氣體定律
09熱力學第二定律
10絕對零度
11布朗運動
12混沌理論
13白努利方程式

波的秘密
14牛頓顏色理論
15惠更斯原理
16司乃耳定律
17布拉格定律
18夫琅禾費繞射
19都卜勒效應
20歐姆定律
21弗來明右手定則
22馬克士威爾方程式

量子謎題
23普朗克定律
24光電效應
25薛丁格波動方程式
26海森堡測不準原理
27哥本哈根詮釋
28薛丁格的貓
29 EPR悖論
30包立不相容原理
31超導性
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