稍微提一下 Newton's laws of motion (牛頓運動定律) 。

它主要是描述物體與力之間的關係,被譽為是古典力學的基礎。這定律是由英國物理泰斗 Isaac Newton 所提出的三條運動定律的總稱,其現代版本通常這樣表述:

第一定律:存在某些參考系,在其中,不受外力的物體都保持靜止或勻速直線運動。就是所謂的「慣性定律」。
第二定律:施加於物體的淨外力等於此物體的質量與加速度的乘積。F=ma。
第三定律:當兩個物體互相作用時,彼此施加於對方的力,其大小相等、方向相反。作用力與反作用力。

他在發表於1687年7月5日的鉅著《自然哲學的數學原理》裡首先整理出這三條定律。應用這些定律, Newton 可以分析各種各樣動力運動。例如,在此書籍第三卷, Newton 應用這些定律與 Newton's law of universal gravitation (牛頓萬有引力定律) 來解釋 Kepler's laws of planetary motion (克卜勒行星運動定律) 。

 Newton 是一位英格蘭物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家和煉金術士。 1687 年他發表《自然哲學的數學原理》,闡述了萬有引力和三大運動定律,奠定了此後三個世紀裡力學和天文學的基礎,並成為了現代工程學的基礎。他通過論證克卜勒行星運動定律與他的重力理論間的一致性,展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律;為太陽中心說提供了強有力的理論支持,並推動了科學革命。

在力學上, Newton 闡明了動量和角動量守恆的原理。在光學上,他發明了反射望遠鏡,並基於對三稜鏡將白光發散成可見光譜的觀察,發展出了顏色理論。他還系統地表述了冷卻定律,並研究了音速。

在數學上, Newton 與 Gottfried Wilhelm Leibniz 分享了發展出微積分學的榮譽。他也證明了廣義二項式定理,提出了「牛頓法」以趨近函數的零點,並為冪級數的研究作出了貢獻。

在2005年,英國皇家學會進行了一場「誰是科學史上最有影響力的人」的民意調查,在被調查的皇家學會院士和網民投票中, Isaac Newton 被認為比 Albert Einstein (愛因斯坦) 更具影響力。

這結果當然見仁見智,畢竟 Albert Einstein 被譽為「現代物理學之父」及二十世紀世界最重要科學家之一。卓越的科學成就和原創性使得「愛因斯坦」一詞成為「天才」的同義詞。

在過去兩百年中,物理學者完成了很多個檢驗核對牛頓運動定律的實驗與觀測,對於一般的狀況,牛頓定律能夠計算出很好的近似結果。牛頓定律、牛頓萬有引力定律、微積分數學方法,這些理論從所未有地對於各種各樣的物理現象給出了一致的定量解釋。

甚至可以這麼說,沒有牛頓的這些定律,就不會有愛因斯坦的相對論。「相對論」是現代物理學的兩大支柱之一,另一個是「量子力學」。

對於某些狀況,牛頓運動定律並不適用,這時候需要更進階的物理理論。超高速或非常強烈重力場的狀況下,我們需要相對論修正和解釋一些天體運動和現象,例如黑洞。在原子尺寸,我們需要量子力學解釋原子的發射光譜等物理現象。但是現代工程學裡,對於一般應用案例,像車輛或飛機的運動,牛頓運動定律已能準確地解釋和計算工程師遇到的問題。所以,牛頓運動定律仍是中學物理科、大學工程和理科學生的必修和基礎部份。

假若要將狹義相對論效應納入考量,則必須修改第二定律。因為當速度接近光速時,物體受到的淨外力就不能精確地表示為靜質量與加速度的乘積了。詳盡細節,請參閱條目四維力。第三定律也不適用於狹義相對論,這是因為同時性之相對性無法實現於第三定律。對於不是直接互相接觸,而是相隔有限距離的兩個物體,第三定律假定物體與物體之間的作用為瞬時的超距作用。假設互相作用的兩個物體相隔一段距離,從參考系A觀測,在時間t,兩個物體彼此施加於對方的力分別為 F(t)、-F(t)。但是從另外一個以相對速度V≠0的參考系B觀測,這兩個力的施加的時間不同,所以,第三定律不成立,需要加以修改。

在現代物理學裡,動量、角動量、能量的守恆定律比牛頓定律更為基礎,因為這些守恆定律既適用於光波,也適用於物質,既適用於經典物理,也適用於非經典物理。

 

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