牛頓一思考，亞里斯多德就哭了？地球在運動並不是那麼顯而易見

矽基帝國和碳基文明聯盟之間發生了一場你死我活的星際戰爭。

為了阻擋矽基帝國的進攻，碳基文明聯盟決定在銀河系的第一旋臂中部建立一條五百光年寬的隔離帶。要建成這一條隔離帶，大部分的恆星必將被摧毀，不得不犧牲這一區域的碳基生命，不過聯盟最終還是決定，雖然沒法保護這一區域所有的生命，但必須要保護這一區域內3c級別及以上的文明。

銀河系

在進行這一區域3c級文明的檢測和甄別時，正好掃描到地球這顆行星上生活在山村裡的一幫孩子。碳基文明聯盟開始對這些生命體進行文明級別的測試，第一道測試題沒有應答，第二道題沒有應答，第三道題沒有應答……一直到第八道題：當一個物體沒有受到外力作用時，它的運行狀態如何？這幫孩子的四維模型終於開口了：「當一個物體沒有受到外力作用時，它將會保持靜止或均速直線運動狀態！」

第九道測試題：請敘述相互作用的兩個物體間力的關係。孩子們答：「當一個物體對第二個物體施加一個力，第二個物體也會對第一個物體施加一個力，這兩個力的大小相等，方向相反！」

第十道測試題：對於一個物體，請說明它的質量，所受外邊力與加速度之間的關係。孩子們再答：「一個物體的加速度，與它的所受的力成正比，與它的質量成反比！」

3c級別文明測試通過！

碳基文明聯盟的奇點炸彈轉向，脫離目標，地球文明被保護了下來……

這是劉慈欣短篇科幻小說《鄉村教師》中的一個片段，山村小孩回答的這三道題就是他們的老師在生命垂危的一刻教會他們並要求他們必須背下來的「牛頓三大運動定律」。這三條定律拯救了地球文明。

牛頓的三大運動定律拯救地球文明有點誇張，但是，就是這三大運動定律開啟了人類文明第一次工業革命的進程。

牛頓的三大運動定律和他的萬有引力定律，並不是牛頓一時靈光乍現或是蘋果掉下來砸中腦袋才想出來的。關於運動，自古以來，人們就開始琢磨著這個問題。物體為什麼會從這裡運動到那裡？往天上扔的石塊為什麼會向地上落下來？......諸如此類的問題一直困擾著古代的聖賢們。

西方有句諺語：「對運動的無知，也就對大自然無知」。運動是萬物的特性，但是在這個問題上，自古以來也出現各種不同的看法。而在16世紀之前，亞里斯多德的運動理論一直居於統治地位。

亞里斯多德認為，地球是靜止的並位於宇宙的中心，日月星辰都在圍繞著地球在轉，這也是所謂的「地心說」主要思想。現在我們看來，這些觀點是多麼的荒謬，但是你別以為當時的人們是隨便就輕易得出這些結論，他們是經過反覆的經驗觀察和周密的推理才得出」地球是宇宙中心「這一結論的，這也成為了當時人們的世界觀。

亞裡土多德

我們在說一個世界觀時，並不是只指一個觀點，而是一系列的觀點。並且這一系列的觀點並不象是一張購物清單一樣簡單羅列，而是象一張拼圖一樣，每一個觀點都是緊密聯繫，環環相扣的。我們來看一下，亞里斯多德是如何建立他的這一世界觀的。

亞里斯多德世界觀拼圖

當時人們認為地球是靜止的，並且它位於宇宙的中心。這是當時亞里斯多德世界觀這個拼圖的中心。現在也許我們會覺得地球在運動是顯而易見的，地球怎麼可能是靜止的呢？但是仔細想一想，真的是顯而易見嗎？不信你試一試，看能不能馬上找出幾個能證明地球在運動的例子？

你向天上扔一個石塊，它會垂直往下落回你的身邊，如果地球在運動，為什麼不是落到離你更遠一些的地方？天上的云為什麼不會被吹向一邊？如果地球在運動，為什麼我們看天上的星星時沒有產生視差？視差是指我們在不同的地方看同一個物體時會產生一個視角的偏差。你可以試一下，伸出一根手指，先用左眼看它，然後閉上左眼，再用右眼看它，你的手指就會產生一個偏移的位置。

人們從來就沒有找出證明地球在運動的例子，反而是很多經驗和直覺證實了地球是靜止的。既然地球是靜止的，那麼自然地球已經是位於宇宙的中心了。

為什麼地球是靜止的，就認為它是宇宙的中心呢？當時人們認為組成世界的基本物質是水、土、火、氣和月亮之上的第五元素以太。而它們都有著天然的位置，並且任何物體都有著返回其自然位置而運動的屬性，這也稱之為自然運動。只有其他的力作用在物體上時，物體才會開始運動，這種運動叫做強迫運動。

重物質會被吸引到宇宙的中心，輕物質會遠離宇宙中心。因為地球是個很重的物質，並且它已經靜止不動了，說明它已經處在宇宙的中心。於是，屬於輕物質的火和氣向上運動遠離地球，並且氣比火輕，氣在火之上；水和土屬於重物質，是向下運動落向地球，並且土比水重，土在水之下。

既然重物下落是物體的自然屬性，物體越重，趨向自然位置的傾向性就越大，所以下落的速度也就越快。天上的星星之所以沒有向地球落下，是因為它們是輕物質，輕物質比重物質移動得更靈活、更快，所以天上和星辰都在繞著地球在運動。也因為圓是當時人們認為最完美的幾何形狀，顯然，星辰繞地球運動也是圓周的……

「地球是靜止的」

「地球位於宇宙的中心」

「物質的運動都是有目的」

「只有力作用在物體上時，物體才會運動」

「重的物質比輕的物質下落的更快」

「日月星辰在繞地球運動」......

這些都是亞裡土多得當時一步步建立起來的世界觀，所有的觀點並非獨立的存在也並非隨意的得出，它們是相互關聯，環環相扣的，從一個推出另一個，完全自洽。以現在我們的直覺來看，這些觀點，說真的也很難看出有什麼毛病。當然，現在科學家們已經證實，這些觀點沒有一個是正確的。

地球是宇宙的中心，這是古人當時從局限的觀察和樸素的思維中得出一種對宇宙的看法，這一看法不僅在西方，而且在東方，都是當時起主導作用的。並且這些看法也符合宗教的看法，所以得到了基督教等教派的大力支持，亞里斯多德的世界觀一直被人們沿用了差不多2000年。

直到16世紀，波蘭的天文學家哥白尼的出現，這一觀念才最終被打破了。當時基於亞裡土多得的「地心說」觀點，在託密勒不斷完善之下得出的天體模型，雖然邏輯嚴密，但是計算起來極為麻煩，並且在文藝復興思想的影響下，人們也開始擺脫教會神學思想的約束，加上很多現象當時的理論也沒法解釋清楚，於是質疑「地心說」的人越來越多。

託勒密

哥白尼當時也是為了讓天體運行的模型變得更加簡潔和計算方便而重新建立了他的天體模型，他認為地球不是宇宙的中心，地球和其他星辰都在繞太陽做橢圓運動，而月亮在繞地球運動，地球24小時還會自轉一周。這也是所謂的「日心說」的主要思想。但是當時哥白尼的「日心說」，只是停留在理論計算上，並沒有得到證實，這也是「日心說」當時沒有被宗教神學思想所排斥的主要原因。

哥白尼

1609年，伽利略發明了天文望遠鏡，他通過望遠鏡一連串發現了很多之前沒有發現過的天體現象。比如，木星還有衛星圍繞著它在轉；月亮的表面並不是平滑完美的，它有許多坑坑窪窪，這與之前人們認為月上區是完美的地方完全不一樣；太陽上有黑子，並且太陽也在自轉；金星也有類似月亮的相位變化，也就是有類似月缺月圓等變化的現象......這些發現實錘證明了地球並不是靜止的，它是在繞太陽在運動的。

伽利略觀察星空圖

之前用來證實地球沒有運動的兩個主要觀點後來也被推翻了。這兩個觀點是：」如果地球在運動，向上扔的石塊為什麼會是垂直落回原地？」和「如果地球在運動，人們為什麼沒有看到星星的視差？」。

第一個問題，同樣也是伽利略解決的，「為什麼地球在動，但是我們卻感覺不到地球在動呢？」伽利略想，其實，如果你在一艘做勻速運的船上，你也會有同樣的感受。你在船上往上跳同樣還會落回原地，不會掉到海裡，你在船上甚至還可以打籃球，球並不會因為船在運動而掉到海裡或是偏離了方向。

如果你把地球也當作一艘很大的船，這個問題的答案也就找到了。

如果地球是在做勻速運動，那麼我們在地球上同樣是感受不到地球是在運動還是靜止的。這裡的關鍵是必須是在做勻速運動，如果是加速運動就明顯感覺不一樣了。類似的體驗大家也可以在飛機上，在動車上都能找到。

伽利略通過他的大量的實驗和觀察得出了他的慣性定律：也就是「每一個物體都會保持其靜止或沿一直線作勻速運動的狀態，除非是有力加於其上迫使它改變這種狀態」，這也是後來牛頓的第一運動定律。

伽利略畫像

通過慣性定律，伽利略又得出一個結論，就是我們無法通過力學實驗，區分出同一慣性系下（勻速運動或靜止狀態），物體是做勻速運動還是靜止的，也就是同一慣性系下，靜止和勻速運動是等效的。這就是伽利略的相對性原理。

有了相對性原理，日心說的「地球在運動」這一困境也就迎刃而解了，因為地球在做勻速運動，所以我們法感覺到它在動。

到了後來人們還通過更加精密的儀器探測出了星星是有視差的，之前人們沒有觀察得到這個視差，是因為星星離我們太過遙遠了，所以這個視差非常的小，以當時古人的條件是沒法測量出來的。

之後越來越多新的證據證明亞里斯多德的世界觀已經站不住腳了，「地心說」是亞里斯多德世界觀拼圖的中心。如今拼圖中心已被哥白尼的「日心說」替換掉，那麼之前亞里斯多德的世界觀就徹底坍塌了。一個拼圖如果是外圍的觀點改變時，還可以用另外的觀點去補充，而拼圖的中心觀點被拆了，整個拼圖也就玩完了。

日心說示意圖

既然舊的理論被證偽了，那麼必須得有新的科學理論來替換它。並且新的理論體系必須包括」地球在運動「這一觀點。

1687年，牛頓在總結了伽利略，克卜勒和笛卡爾等人的理論基礎上，出版了他的著作《自然哲學的數學原理》，其中牛頓的三大運動定律和萬有引力定律就很好說明了，天上的和地上的大大小小的物體之間運動和力的關係。它說明了伽利略沒法說明的地球和其他行星為什麼會繞太陽運轉，也說明了克卜勒沒法說明的地球為什麼繞太陽運動的軌跡是㮋圓的。宇宙萬物就像一臺機器一樣，只要你給出了初始的條件和參數，這臺機器就能按牛頓的「運動定律」運轉起來。牛頓的「機械論」代替了亞里斯多德的「目的論」成為了當時人們的世界觀。

從亞里斯多德的」目的論&34;機械論「，最深刻的變化就在於伽利略建立起來的「」慣性定律」和「相對性原理」，之前認為一切物體的運動都是由於其他物體的作用，而現在認為「勻速運動和靜止」只是物體本身的自然屬性，外力作用，只是改變了物體運動的方向和性質。

愛因斯坦

牛頓的經典力學從17世紀一直沿用至今，他的理論為人類作出了巨大的貢獻，從火車、飛機、炮彈到火箭、衛星、宇宙飛船無一例外不用到牛頓的力學定律。然而，到了20世紀初，牛頓建立起來的一直認為堅不可摧的世界觀，也開始出現了裂縫，因為，這時愛因斯坦開始思考了......

(愛因斯坦一思考，牛頓就哭了？欲知後事如何，請關注醬子聊科學）

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重要觀點和資料來源：

查理德.德威特的《世界觀》

溫伯格的《給世界的答案》

郭奕玲 沈慧君《物理學史》

戴維斯的《上帝與新物理學》

蘇珊.懷斯.鮑爾的《科學簡史》