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运动之谜(上) 01

Masir 科学羊 2024-03-30

本系列文章预计会有10+个章节,这套文献将系统讲述物理学本身,这里是第八季第01篇
--本文预计阅读5min--

如上图所示,我在高一物理(必修)课本中就看到了这句话——

爱因斯坦曾把一代代科学家探索自然奥秘的努力,比做福尔摩斯侦探小说中警员破案的过程。在侦探故事中,有时候明显可见的线索却把人们引到错误的判断上去,也就是说,光凭经验来做判断常常是靠不住的。

是的,物理学的发展其实很像一部侦探故事,当人们发现一个现象时,他们往往会去搜集与这个现象相关联的所有条件线索,最后得出一个让人惊人的结论,而这个结论有可能就会成为一个定律或者常识。

我们先思考一个问题——世界上什么样的事情容易出结果呢?

答:就是那些能不断优化迭代,不断滚动的事情。今天一个版本,明天一个版本,这样的事情如果方向是正确的,就会指导自己不断变得优秀!

物理学的发展是如此,计算机的发展也是如此,甚至技术本身更是如此

我们永远也不应该嘲笑前人错误的“丰功伟绩”,比如亚里士多德的世界观、毕达哥拉斯的定理等等。

因为一件伟大的事情反而来自犹如数字电路的跳变,从0到1才是最难的。而这个跳变,可能是认知的跳变,也有可能是思维的跳变。

你不在当时的时代,这是无法体验的。


01

1609年9月3日上午,一群印第安人驾着独木舟,在今天的曼哈顿岸边捕鱼,看到远处出现奇怪的景象。

一开始只看得清楚这个奇怪的物体是“在水面上游泳或漂浮的巨大东西,是他们从来没有见过的”。首批目击证人跑上岸招募援兵。随着物体靠近,人们漫天猜测。“有些(印第安人)认为这是不寻常的大型鱼类或其他动物,有些人则认为这是一间大房子。”

神秘的物体靠近,然后停止,巨大的白帆如波浪般起伏。岸上的印第安人和亨利·哈德逊(Henry Hudson)的“半月号”(Half Moon)船上的水手们,在恐惧与兴奋的情绪交织下站着,面面相觑。

看到前所未见的景象是什么样的滋味?

这是一种认知的跳变!

这也就是说,我们总会对超过自己认知的事情会显得魂不守舍....

02

亚里士多德在整个欧洲享有至高无上的威望,这可能是人们长期相信这个直觉观念的主要原因。在两千年来公认为是他所写的《力学》(Mechanics)中,我们读到:

推一个物体的力不再去推它时,原来运动的物体便归于静止。

没错啊,仔细想想确实如此啊。

你看,物体就是在那里,我就是推一下,它才往前走啊!要是我不给它力的话,它永远都是静止在那里。

这是一种直觉。当时人们对运动的概念只是停留在表象,也就是看得见摸得着的。

设想有一个静止的物体,没有任何运动。要改变这样一个物体的位置,必须使它受力,例如推它、提它,或由其他的物体,例如马、蒸汽机作用于它。

我们的直觉认为运动是与推、提、拉等动作相连的。多次的经验使我们进一步深信,要使一个物体运动得更快,必须用更大的力推它。结论好像是很自然的:对一个物体的作用愈强,它的速度就愈大。

一辆四匹马拉的车比一辆两匹马拉的车运动得快一些。因此,直觉告诉我们,速率主要是跟作用有关。

而思想的突变就在于一个认知

假如有人推着一辆小车在平路上行走,然后突然停止推那辆小车。小车不会立刻静止,它还会继续运动一段很短的距离。

两个问题:

1、为什么?为什么车会还走一段路,并没有力给他施加呀!
2、怎样才能增加这段距离呢?

而这时候,有经验的人会觉得,这好办,例如在车轮上涂油、把路修得很平滑等。车轮转动得愈容易、路愈平滑,车就可以继续运动得愈远。但是,在车轮上涂油和把路修平有什么作用呢?

这又是一个认知跳变,人们会开始去思考这里面的关联。

此刻我们可以得出一种结论,如果让小车可以多走一段距离,那么就要尽可能减小外部的影响,即车轮里以及车轮与路之间的那种所谓的摩擦力的影响减小了。

注意,这里我们突变式的谈到摩擦力这个词,但实际这个词经过几代人才被定义。

而真正突变的点就是在于思想实验,人们会去想,如果没有一点点外部影响,那这个物体是不是会永远永远运动下去呢?

没错,伽利略所发现了这个线索:一个物体,假如既没有人去推它、拉它,也没有人用别的方法去作用于它,或者简单些说,假如没有外力作用于它,此物体将均匀地运动,即沿一条直线永远以同样的速度运动下去。因此,速度本身并不表明有没有外力作用于物体上。

隔了一代以后,牛顿将伽利略这个正确的结论表述成了惯性定律(事实上,牛顿第一运动定律在很大程度上借鉴了笛卡尔的表述)。这个定律通常是我们在学校里开始学习物理学时牢记在心的第一条定律,我们有许多人还能记得它:

任何物体,只要没有外力改变它的状态,便会永远保持静止或匀速直线运动的状态。


好,今天就先这样啦~


Masir2022/12/04

于 东莞

祝幸福~


参考文献:

1.《机械宇宙》

图片来源于网络


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