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  物理之書
  物理是萬事萬物基本道理的科學,從這門學問中可以窺見宇宙事物真相的條理。從數億年前的宇宙大爆炸,到數百兆年之後宇宙的終結及量子復活,從日常生活中可見的事物,到解釋這些反應的物理概念,跟著科普鬼才皮寇弗的這趟旅程,我們將一同穿梭物理史上二百五十個重大成就。

.作者:柯利弗德.皮寇弗
.譯者:顏誠廷
.分類:科普
.出版社:時報出版
.出版日期:2013/01/04
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文章節錄
西元1687年/牛頓運動定律和萬有引力定律
牛頓(Isaac Newton,西元1642年~西元1727年)

  牛頓說:「上帝以計數、衡重、測量創造了萬物。」牛頓是英國數學家、物理學家及天文學家,他發明了微積分、證明了白光是各種顏色的光所組成,解釋了彩虹的成因,打造了第一具反射式望遠鏡,發現了二項式定理(binomial theorem),提出極座標系(polar coordinate),而且證明了使物體掉落的作用力和造成星球運轉及產生潮汐的作用力是同一種。

  牛頓運動定律(Newton’s Laws of Motion)探討施加在各個物體上的作用力和這些物體的運動彼此有何關係。而萬有引力定律(Newton’s Laws of Gravitation)則說明物體間會互相吸引,且引力的大小與物體的質量乘積成正比,與物體間的距離成反比。牛頓第一運動定律(Law of Inertia,慣性定律)說,除非受到外力的影響,否則物體不會改變其原本的運動狀態:靜止的物體保持靜止;運動中的物體除非受到一個淨外力,否則會依原本的方向持續進行等速運動。牛頓第二運動定律則是說,當物體受到外力時,其動量(momentum)變化率與作用力的大小成正比。最後根據牛頓第三運動定律,當第一個物體施加一個作用力於第二個物體時,第二個物體也會施加一個大小相等方向相反的作用力於第一個物體。例如當湯匙掉落在桌子上時,湯匙向下施加於桌子的作用力,與桌子向上施加於湯匙的作用力相等。

  牛頓終其一生都深受躁鬱症的困擾。他非常痛恨他的母親和繼父,曾在青少年時期威脅要把他們活生生地燒死在房子裡。牛頓也寫過一些與聖經及預言有關的論文。很少人知道牛頓花在研究聖經、神學以及煉金術上的時間比科學還多;而且他在宗教上的著作也多於自然科學。無論如何,這位英國數學家及物理學家仍然是史上最有影響力的科學家。

西元1752年/富蘭克林的風箏
富蘭克林(Benjamin Franklin,西元1706年~西元1790年)

  富蘭克林是個發明家、政治家、出版家、哲學家及科學家。他雖然多才多藝,但歷史學家辛多(Brooke Hindle)說:「富蘭克林在科學上的興趣主要是閃電以及與電有關的現象。他那個在暴風雨中放風箏的著名實驗,成功地將閃電和電學連結起來,讓科學向前邁進了一大步。美國與歐洲也因此廣泛地使用避雷針來保護建築物。」雖然和本書許多其他在物理上的里程碑比起來,富蘭克林的風箏可能不是那麼重要,但是它已經成為一種科學求真態度的象徵,而且啟發了幾個世代來的小朋友。

  1750年,富蘭克林提議可以藉由在很可能會雷電交加的暴風雨中放風箏來驗證閃電究竟是不是電。雖然歷史學家這個故事的細節有些爭論,但根據富蘭克林自己的記錄,他是在1752年6月15日於費城進行了這個嘗試將電能從雲端引下來的實驗。在某些版本的故事裡,他手握著一條絲帶,絲帶的一頭綁著風箏線尾端的鑰匙,以避免自己在電流從風箏線傳遞到鑰匙並進入萊頓瓶 (一種將電儲存在兩個電極之間的裝置) 時觸電。有些研究者不像他那麼小心,結果在進行類似的實驗時被電死。富蘭克林寫道:「當風箏線被雨沾濕並開始導電時,你可以感覺到電就從你指結附近大量地流經鑰匙,然後⋯⋯灌進了萊頓瓶⋯⋯。」

  歷史學家卓別林(Joyce Chaplin)提到,風箏實驗並不是第一個指出「閃電就是電」的實驗,但風箏實驗驗證了這個發現。富蘭克林「想要知道雲是否帶電,如果雲真的帶電,那是正電還是負電?他想確認自然界中的確存在著電。如果只是把他的發現簡化成避雷針,實在是低估了他所作的努力⋯⋯」。

西元1851年/傅科擺
傅科(Jean Bernard Léon Foucault,西元1819年~西元1868年)

  戴維斯(Harold T. Davis)說:「擺的運動,不是因為外來超自然或神祕力量,只不過是擺錘下方的地球正在轉動而已。但它又不像看起來的那麼簡單,因為一直到了1851年,傅科才第一次以實驗證明了這個解釋。很少有簡單的事實會拖這麼久才被發現⋯⋯而這也證明了慘遭火刑的布魯諾與受盡折磨的伽利略都是無辜的。地球真的在轉動!」

  1851年,法國物理學家傅柯在萬神殿,一座位於巴黎的新古典圓頂建築中展示了他的實驗。一顆南瓜大小的鐵球懸掛在67公尺的鋼纜上。當擺錘擺動時,它的擺盪平面會逐漸地改變,以每小時11度的速率順時鐘旋轉,證明了地球確實在轉動。現在讓我們想像把萬神殿搬到北極。此時當擺錘擺動時,其振盪平面不受地球運動的影響,只有地球單純地在擺的下方旋轉。因此在北極時,擺的振盪平面會以順時針方向每24小時旋轉360度。擺的振盪平面的轉動速率與緯度有關,在赤道上,振盪平面不變。而在巴黎,擺的振盪平面旋轉一圈所需的時間大約是32.7小時。

  當然,早在1851年之前,科學家就已經知道地球會自轉,但是傅科擺(Foucault’s Pendulum)提供了一個非常簡單而生動的證明。傅科這樣形容他所設計的擺:「事情就這樣安靜的發生,但它不可抗拒,也無法停止⋯⋯來到這個擺面前的人,在安靜地停留一會後,都帶著沉思的表情默然離去,然而他已深刻地體會到,我們正在太空中永無止境地移動著。」

  傅科早年修習的是醫學,但後來發現自己怕血,於是轉而研究物理。
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