在 1679 年 11 月 24 日,虎克在第一封書信中向牛頓提到,提 出向心吸引的概念:
…如果您樂於通過書信交流,指出對我的觀點不滿之處,
特別是能讓我明白您對:沿著切線的直線運動,和一種朝向 中心的吸引運動,所合成的行星運動的想法… ( Koyre, 1964/
2003, p, 272- 273)
這是一個很重要的開端,二十年沒有再碰過天文運動的牛頓,
專心於煉金術,停留在離心力的概念,從沒聽過圓周運動是一種 朝向中心的運動,於是在 11 月 28 日回了虎克,
在此之前,我已經從哲學轉到其他領域的研究…在收到您 的信以前,我完全沒聽說過您關於:用沿曲線切向的直線運 動合成的行星運動的假說…
並提出一個物體直線從空中掉落會因為地球自轉而不會直接通 過地心。
1679 年 12 月 13 日,也就是第五封書信中,牛頓回覆虎克:
…如果他的重力(性)是均勻的話,它將不是一條沿螺旋線朝 地心下落,而會通過其離心力與重力(性)的交替平衡,如圖…
( Koyre, 1964/ 2003, p, 288- 289)
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圖 5-9:牛頓在第四封書信所畫的示意圖。(引自 Koyre, 1964/ 2003, p, 288- 289)
由此封信中足以證明 1680 年的牛頓依然停留在離心力的概念,
這似乎能說明牛頓尚未了解向心力。此外,也可以暗示圓周運動是 重性與離心力平衡的結果,為何可以畫出花瓣的軌跡附錄一有詳細 說明。
而虎克在 1680 年 1 月 6 日寫道:
您讓一個物體在到中心的所有距離上都被相等的力吸引,
並用這種方法離計算物體所划出的曲線,就像對一個的凹拱 中滾動球的計算是正確的,並且兩個拱點將不是由大約三分 之一圓周所接合的。但我的假設是,引力總是與到中心的距 離平方成反比的。( Koyre, 1964/ 2003, p, 289)
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前面的幾封信虎克並沒有告訴牛頓引力和空間的關係為何,
直到牛頓說地球吸引是均勻的,虎克才說是距離平方成反比。而 虎克又在 1680 年 1 月 17 日再次寫信給牛頓,也是最後一封信:
此中心之吸引(central attraction power)與距離的平方成反比。
毫無疑問,以您傑出的方法,您可輕易地找出這會是何種曲 ( central attraction power),對於機械論對非接觸力的排斥,虎克很巧 妙地避開「力」( Force)這名詞。但到底何為是力,難道是笛卡兒所
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個物體慣性力的減少使得第二個物體慣性力的增加,而在當時物體 受外界力的大小並沒有方向的概念,只與物體速率變快變慢有關。
所以在早期十七世紀慣性力的概念就是動量的大小,而慣性力 其實就是直線運動的動量。一個物體的慣性力作用於另一物體則改 變直線運動的動量大小,即代表物體有受外力作用。
笛卡兒所認為的慣性力缺少運動的方向性。
另外,伽利略在 1632 年提到若某個物體在水平面做運動,且在 運動中沒有受到任何阻礙,則此物體將作均勻的等速率運動,如果 此空間延伸至無限遠,則將永遠運動下去。而笛卡兒在 1664 年也提 到所有物體會盡最大可能保持自己的運動,也就是它將保持同一速 度和同一方向,除非有別的物體或減慢它的運動速度。
在先前,牛頓早期所寫的《雜記》,已試圖將力想法明確,
認為力就是造成物體運動改變的某種原因:
3 需要真正足夠的力使物體趨於停止…
4 而力是被要求破壞任何運動的物體或是被要求增強任何 物體的運動,而一個物體運動的增強也會造成另一個物體運 動的破壞。
104 因此這似乎是使速度增加並造成另一個物體速度減少或 阻撓的原因。這原因的效果我們通常稱之為力。( Westfall,
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1971, p.344- 345)
當快的物體由後碰撞慢的物體,快的物體速度減少,而慢的物 體速度增加,在接觸的剎那才有力的效果,沿用了笛卡兒的想法,
牛頓認為的力就是慣性力之間的傳遞,速度快的物體比速度慢的物 體有更大的慣性力。改變運動效果的原因稱之為力,慣性力代表動 量,而慣性力就是力的說法不完全正確,精確地說,慣性力的改變 才是外力。而在要使物體停止需要足夠的力,也就是要有足夠的動 量才能將運動中的物體靜止。
只可惜牛頓沒有清楚說明慣性力與力之間的關係,直至 1780 至 1784 年間重新深入思考,並且到《原理》出現,才將慣性力正式定 義,並且考慮其方向性;但我們必須將此功勞歸功於虎克朝向中心 吸引的想法:
若沒有虎克在 1679 年向牛頓提出對圓周運動的看法,很可 能牛頓一直都無法解決行星作橢圓運動的許多難題。也非常 可能牛頓留下來的是他在光學與微積分上的成就,而沒有動 力學與萬有引力的偉業!( Herivel, 1965)
虎克和牛頓的關鍵七封信對物理發展有了重大的意義,第六章 第一節會提及牛頓的第一運動定律,接下來先探討向心力的數學化。
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I call centripetal the force by which a body is impelled or attracted toward some point which is regarded as the center.
( Brackenridge, 1996, p, 74)
牛頓將向心力放在定義一,向心力是首次出現於物理史上,虎