【科學講古列車】由牛頓發現運動定律的故事談中學物理的核心內涵

■藉由科學發展的歷史過程來啟發高中生對物理的興趣，並透過偉大物理學家給予的啟示進而掌握學習物理的方法。

講者｜臺灣師範大學物理系教授 姚珩教授
撰文｜石馥瑋

●由牛頓看高中科學
牛頓是一位眾所皆知的科學家，而我們從小也接觸了許多各式各樣其所提出定律，那身為高中生的我們可想過，物理是什麼？為什麼高中物理課程皆由運動學開始？為什麼 f=ma 是定律而不是定義？為什麼物體會自由落下？牛頓是由 f=ma 得知重力的存在，那他是獲得了什麼樣的啟發？種種的為什麼是否曾在你心中閃過，呼之欲出？但只可惜教科書從未提過，因此不了了之？

今天將由了解牛頓的生平來重新喚起你對物理的熱愛。在進入牛頓之前，我們要先了解當時的社會思想背景，在當時有三個思想主導了科學界的走向，分別為機械論、離心力以及磁性哲學。文藝復興時代的自然主義認為「心靈與物質」、「精神與肉體」是一體而不能分開的，且占星術、魔法等隱密力量充斥在你我日常生活中的各種現象，可是直到出現了一位偉大的哲學家、也是機械論的主張者，近代哲學之父──笛卡兒，他否決了自然主義的思想，認為「哲學要徹底明晰」、「科學不能把幻想當做基礎」、「一切皆值得懷疑，只有幾何學不可懷疑」，即是三角形內角和一定是180度，這是一件永遠無法改變的真理，所以科學一定得從幾何學出發，而幾何中的長、寬、高可延伸擴展之性質或剛性惰性，稱之為物。因此笛卡兒建立了把精神與物體分開的理論，造就了近代哲學的誕生，近代科學的基礎也隨之萌芽。故一切近代物理得從機械論談起，而機械論即是討論質點與運動的交互關係，機械論力學認為，所有自然現象都是由運動中的物質引起，但「力」的存在成了一大謎題，因為除了可對其他物體造成擠或壓的「力」可以解釋，其他的皆被視為神秘之物，而在不討論神秘事務的前提之下，這些「力」自然被拋在腦後、無人問津。另一個主要的思想就是離心力，笛卡兒從行星的運動軌跡提出了離心趨勢的概念，之後惠更斯更是以物體產生的現象來解釋離心力，這些理論大大影響了牛頓後來力學的成就。

●虎克的啟示
虎克發現了在圓周運動時，有股「力」會朝向中心的趨勢，他提出的這個理論跳脫了主導當時科學界的機械論，這些訊息也在虎克跟牛頓的通信中被牛頓所知曉，牛頓在年輕時只知道離心趨勢，但在虎克提示下，開始對以前所認知的理念產生懷疑，矛盾就此產生，這激發了牛頓後來對運動學的各種成就。

●力學概念的提出
在牛頓受到虎克激發之前，自認為已將運動學了解透徹，但之後由虎克的觀點一棒將他的夢敲醒，於是展開了研究萬有引力、向心力等「神秘力量」，牛頓對物理界最大的貢獻可以說是力學，大部分也都與其息息相關，這使牛頓成為推廣「力」這個概念的先驅，他跳脫了當時定義「力」為擠或壓的侷限，更進一步研究如超距力等不可思議的存在，故牛頓是全世界第一個賦予「力」這個詞全新樣貌的科學家，此後，物理學開始超脫曖昧不明的時期，邁向不同思維的偉大時代。

牛頓第二運動定律，不僅僅是一個簡單的物理公式，他所蘊含的是帶給全科學界一個多樣化的思考邏輯，物理是抽象的，可是我們如何使用簡單而恆不變的定理 來解決事情，這就是物理的真義──思考。

力存在於各個時期，但從沒有一個人能定義力的概念，直到牛頓的出現，F=ma不是牛頓書寫的，但他給我們 了力與加速度的關聯，而在後來我們可以一窺力的奧妙，運動定律不是定義而是定律，是因為這是提供我們全新思考想法重要關鍵。

●高中物理內涵
運動是影響物理最重大的議題，從古至今都是如此，他是一個培養思考邏輯的一種方式，故高中的內涵就是運動，至今，我們仍是要以牛頓所提出的思考方式來提供我們日常生活的種種發明，我們不可輕易地拋棄他，在此我要特別強調牛頓給我們的重要啟示，力與運動密不可分，運動與生活亦是如此。