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運動與變化

在文檔中 形上學與自然哲學 (頁 27-31)

運動motion 與變化 Change、becomcing 也是人類經驗的直接對象,

以前人們以為日月昇降乃有晝夜、位置的移動、生命的生老病死,都是一種變化 運動。從亞氏的動力學到牛頓的三大定律到愛因斯坦的相對論其間經歷了約三 千年的時間,現代世界中「量子力學」成為科學界的顯學並提供了無限的服務,

但動靜的變化或運動到底是怎麼一回事?萬物都是被推動還是被賦予動能?亞 氏在其《物理學》中云:「運動存在於能被運動的東西中,這一問題的答案是很 明顯的,因為運動是能被運動的東西的現實,並且被那能運動的東西所運動。

能運動的東西的現實活動,不外是把能被運動的東西的運動潛能加以實現。」49 這種運動的理論是亞氏時空變化的基礎,他認為「自然是運動、變化的本原。」

亞里斯多德給變動的定義是潛在存在(潛能)作為潛在存在的現實就是運 動50。也就是能質變之物產生質變;能增加或減少的東西增加了或減少了,還有 生滅的變化,位置的移動等等,就是所謂的運動。

亞氏將運動分成兩類,一是自身而運動,一是被運動。自身而動之物與其 性質有關;泥塊的正常位置是地面,因此如果沒有外物支撐的泥塊一定往下掉;

煙霧的正常位置是空中,因此沒有阻礙的煙霧會往上升。而所謂被動就是推力 或拉力所產生的效果,一個人推手推車或舉起重物所產生的運動,被動就是由 外力傳到物體上所產生的效果51。前面我們已提過亞氏對運動的描述與分析,是 科學思想的開端,主宰了西方科學約兩千年。就如一般的觀念,地球必定位在 其正常的位置,難以想像有什麼力可以移動,所以地球應是靜止的。

從 哥 白 尼 (Nicolaus Copernicus, 1473-1543 A.D. ) , 伽 利 略

(Galileo Galilei, 1564-1642 A.D. ) 到 牛 頓 ( Isaac Newton, 1642-1727 A.D.),亞氏的運動理論才徹底的改觀。哥白尼是在以亞氏學說為主流 的時代蘊釀其地動說,在當時與教會思想相違的說法是很危險的,當然他對自 己的想法(理論)尚存著懷疑,地動說也無法解釋一般的運動觀念,直到他臨 死前才將手稿交給出版商。伽利略卻證實了哥白尼的地動說,並以觀察和實驗 的方法駁斥了亞氏的運動理論。他在比薩斜塔(Leaning Tower)的實驗眾所 皆知,自由落體的理論從此確定了兩倍重的石塊落下的速度並不是兩倍快;若 無空氣阻力的影響,不同重量的物體,掉落至地面的時間相同。此外,伽利略 斜面(Galileo's lnclined Planes)的問題,亞氏時代尚無「真空」的概念,

因此沒有阻力的概念,這正是亞氏認為物體需要拉力或推力以持續其運動的理 論基礎;伽利略則提出:「在無外力干擾的狀況下,運動中的動體,將持續地 作直線運動。」伽氏用斜坡來作實驗,球在下傾的斜坡滾動時速度加快;在上傾 的斜面上速度則減慢,而在平面上則速度不變。因此,球在水平面上滾動,最 後停止,並非其「性質」使然,而是摩擦力的緣故。這個現象從伽利略對於物體 在平滑面的觀察得到證明,當平面的摩擦力愈小,物體愈能維持定速,在無磨 擦力或反向力量的作用時,平面上運動的物體將永不停止。

伽利略是第一位製造望遠鏡並指向夜空的人,他的理論觸怒了當時的教會 人士,禁止他發表著作,但不可否認,他的自由落體,慣性(inertia)定律不 僅取代了亞氏的運動理論,更影響牛頓以及以後的宇宙觀。

運動理論要到牛頓的出現才造成一定程度的確定,由地動說確定運動是相 對的(Motion is relative),任何東西都是動的,即使是靜止的物體,對地 球是靜止的物體,相對於太陽或星星,以目前的宇宙膨脹理論,萬物都在相對 的移動著,因此當我們提及運動時是指相對於某個參考點。

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牛頓生於1642 年聖誕節,也是伽利略死後的三個月, 23 歲時完成了他 的 運 動 定 律 , 直 到 42 歲 時 才 寫 了 他 的 第 一 本 著 作 , 名 為 《 Principia Mathematica Philosophiae Naturalic 自然哲學的數學原理》,62 歲時發 表了《光學》Opticks,71 歲完成《原理 Principia》的第二版,85 歲 1727 年 過世,葬於英國西敏寺。牛頓證明了宇宙是按自然的定律運動,沒有惡意亦不 會反覆無常(守恆),引導當時的科學、哲學、文學進入理性的時代。

牛頓提出的運動三大定律(Newton's Laws of Motion):

第一定律慣性定律Law of inertia 是整全伽利略的「慣性」而成的:「任何 物體除非受外力的作用,而改變運動狀態,否則將持續靜止或均勻直線運動狀 態。」也就是所謂動者恆動,靜者恆靜。而物體拉拒運動狀態的改變稱為慣性,

任何物質皆有慣性,慣性的大小和物質的量有關,質量 Mass 重量 Weight 相 當,質量滅半重量亦減半,其定義為:

質量:物體所含物質的量,為慣性的量度標準,物體的慣性是指當外力要 啟動、停止或是改變其運動狀態時所顯示的拉拒能力,通常被描述為物體和地 球間之萬有引力。

重量:物體受到重力作用之力 公斤Kilogram、磅 pond,

牛頓為表示單位1 公斤=2.2 磅=9.8 牛頓 第二定律:

物體的加速度和其作用的淨作用力成正比,方向和淨作用力相同,而加速度和 物體的質量成反比。

力是任何可以加速物體的物理量,物體的質量愈大加速度愈小。

第三定律:

無論何時,當一個物體作用於第二個物體時,第二個物體亦以大小相等,方向 相反之力作用於第一個物體上。就是通稱的作用力與反作用力相等。

由這三大定律改變了人們對運動的觀念,更有效的計算出 動量Momentum:運動物體的慣性等於質量×速度 衡量:力乘以作用時間

在車、船任何運動物體的啟動、停止的設計上都表現了這些原理的效用。52 費曼博士(Richard P. Feynman 1918-1988 A.D.)認為「運動定律:兩物 體間相互影響的力,也就是作用力的大小與兩物體間的距離的平方成反比,另 一方面又隨兩個物體質量的乘積而變化。是人類心靈所達成過最偉大的推論。」

53。由於這個成果,解釋了太陽對其周圍行星引力的認識,甚至影響到量子力學 的開展。當然到目前科學家還未發現慣性定律的來源是什麼,或許我們不能馬 上依附在創造者的護祐之下,然外來智慧的觀念則是科學家對自然的瞭解愈深 廣後的一個說法。牛頓除對光學、熱力學、天文學及數學都有無匹的貢獻外,其 開拓的就是所謂的古典力學或古典物理學的領域與時代。

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人 類 對 宇 宙 的 認 識 到 牛 頓 去 世 後 一 個 多 世 紀 , 英 國 物 理 學 家 馬 克 士 威 爾

(Maxwell, 1831-1879 A.D. ) 根 據 法 拉 第 ( Michael Faraday, 1791-1867 A.D.)在電及磁方面大量的實驗數據,以其得天獨厚的數學天才,整理 出著名的馬克士威爾方程式 Maxwell's Equations,將電與磁的現象合而為 一,因此改變並提昇了人類對大自然的瞭解,他除了證明「光」原來是一種電磁 波,也計算出光在真空中的速度,完全繫於一個電場的常數及一個磁場的常數,

是一不變的數值。

公元1879 年 3 月 14 日愛因斯坦出生了;但這一年馬克士威爾去世了,

享年僅有48。愛因斯坦(Albert Einstein 1879-1955 A.D.)在其 76 年的 歲月中,也是物理學突飛猛進的時代,1905 年他提出了特殊(狹義)相對論

(The Special Relativity Theory ) , 1916 年 提 出 廣 義 相 對 論 ( The General Relativity Theory)。採用了伽利略的「相對原理」及馬克士威爾等 人的計算,以及許多科學家所測量光速的實際數據,提出兩個假設:

一、在任何參考系統中的觀測者,所看到的物理定律都是相同的:比方說在地 球上和月球上,電磁理論還是同樣的電磁理論,不需作任何改動。

二、在真空中無論你怎樣進行測量,光速的數值永遠不變。

第一點和傳統的自然齊一律(The Uniformity of nature)相類似,「自 然界在其因果上是一致的,也就是說同樣的原因,在同樣的情況下總是產生同 樣的效果。這是從因果原理Prinriple of Causality 演繹而來,更是歸納法的 理論基礎54。而第二點卻成了日後量度的標準。1983 年 1 公尺被定義為光在真 空中前進299,792,458 分之一秒的距離,不多也不少。在進入廿世紀的前夕,

1900 年 12 月 14 日蒲郎克(Max Planck, 1858-1962 A.D.)在德國物理 發表一篇談「黑體輻射」的論文,而無意中開啟對量子力學的研究,此後的三十 年間,物理學的發展突飛猛進,與天文學、宇宙論等學術相輔相成,使我們對 物質內在的小宇宙及外在的大宇宙之瞭解都有十足的進步。55包括到目前為止,

物理學家共發現自然界有四種不同的基本作用力:重力、電磁力、強核力與弱核 力。重力、電磁力與強核力會促成穩定的結構,重力結合行星,恆星與星系;電 磁力結合原子與分子;強核力結合原子核中的核子。弱核力不會生成任何自然 界的穩定結構。前三種力在複雜度的增長中扮演著三重的角色:

一、它們使粒子互相吸引,結合成組織化的結構,例如原子核、原子、分子、細胞 生物體乃至行星、恆星等星系。

二、物質結合時,會有一部分的質量轉換成能量被光子帶走,光子所帶走的這 些能量,在後來建造更為複雜的系統時有可能派上用場。

三、上述的光子同時會將熵帶離系統,這是複雜度增長的必要條件。

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從宇宙創生到現在為止,自然定律都具有不可思議的不變性,宇宙的初始,

溫度非常高,所以這些基本力都以存在,但毫無組織的太初渾湯中,何以能藏 著這種基本力,卻還是個奧祕。羅主教以為上帝用祂的神能Logos 創造一切,

宇宙中所有的力都因上帝而有,由創造力而創生力。以上所提的四種原始的力,

這種力就是所謂的創生力,由它的變化而成萬物。玤就如早期米勒都學派,以

這種力就是所謂的創生力,由它的變化而成萬物。玤就如早期米勒都學派,以

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