正在阅读《98 一切都是注定的吗:机械宇宙观》
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牛顿被认为是历史上最伟大的物理学家之一,他最重要的贡献就是三条力学定律和万有引力定律。

牛顿第一定律描述的是,一个物体在不受外力的情况下,要么处于静止状态,要么处于匀速直线运动状态。牛顿第二定律描述的是,一个物体的加速度与它质量的乘积,等于其受到的外力。牛顿第三定律描述的则是,一个施力物体作用一个力在另外一个受力物体上的同时,会受到一个大小相等、方向相反的力。

这三条定律是无法被证明的,它们实际上都是“原理”。所谓原理,是那些不证自明的规律,是无法从逻辑上进行演绎证明的,只能通过实验去验证。这些原理都是通过归纳法总结得出的。

其中,牛顿第二定律的影响是极其深远的。因为由牛顿第二定律出发,可以引出“机械宇宙观”。机械宇宙观认为,宇宙当中的一切都是注定好的。我们可以抽象地认为万事万物都是由一些极小的粒子组成的。而宇宙的状态,无非就是所有粒子在每个时刻的速度快慢和坐标位置。只要知道一个粒子的速度,我们就能知道它下一秒会向什么方向移动多少距离。而知道了粒子的位置,我们就可以通过它的速度算出它下一秒的坐标在哪里。因此,原则上只要知道了某一个时刻宇宙中所有微观粒子的位置和速度,我们就说这个宇宙在这个时刻的状态,是完全确定的。

F=ma

牛顿第二定律可以进一步帮我们算出,随着时间的推演,宇宙中所有粒子将会如何运动。前面我们已经论述,只要知道所有粒子的位置和速度,就能预知它们下一时刻会怎么变化。但是速度会根据粒子的受力情况而发生改变。牛顿第二定律告诉我们,粒子的加速度正比于它所受的外力。所谓加速度,就是随着时间的流逝,速度如何改变,是速度相对时间的变化率。所以,知道了粒子的受力,就能算出它们的加速度。算出了加速度,就能知晓粒子的速度如何随时间变化,从而就知道粒子的位置如何随时间变化。由此,根据牛顿第二定律,我们只要清楚某个时刻宇宙中所有粒子的位置和速度,就能算出以后所有时间中这些粒子的位置和速度会如何变化。也就是我们能够预测出今后宇宙究竟会如何变化,这就是机械宇宙观。

牛顿第二定律,开启了物理学的定量时代,或者说开启了整个物理学的进程。但机械宇宙观其实到了量子物理时代就被轻易地推翻了,因为量子力学当中有不确定性原理,它告诉我们,在微观层面上,基本粒子的位置和速度是无法同时确定的。也就是宇宙的未来并非确定的,它与我们对粒子的探测紧密相关。

但是在经典物理层面,在相对宏观的尺度下,牛顿第二定律是十分准确的,原则上,它确实可以预测宏观力学系统的所有行为。

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