關於 慣性定律 伽利略 牛頓 ，我們在網路上蒐集到這些相關的討論、資訊與評價

去年，我花了兩個星期寫出《地球依然在動》一文，盡力把所有涉及的物理原理以淺白的文字解釋清楚，而且盡可能不犧牲技術上的細節正確性。這是我近年寫得最滿意的科普文之一。
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地球會運動，而這運動由幾個部分組成：自轉、公轉，以及隨太陽環繞銀河系中心運行（其實還有自轉軸的進動和擺動，以及受其他行星重力影響等等問題，我現正慢慢寫另一篇文章詳述，敬請期待！）。
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《地球依然在動》長達七千多字，比普遍一本書約六千字一章更長。因此我把這文分為四個部分，每部分稍作調整，每天貼一部分，希望讀過或未讀過的朋友，讀完後都可以有所得著。
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第一部分「從古希臘地心說到伽利略船實驗」
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傳說伽利略接受宗教法庭審判、被迫簽下「地球不會動」的悔過書時，說過這一句說話：「地球依然在動。」（”And yet it moves.”）
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科學尋找大自然定律，而大自然不會受人類意見左右。所謂科學「常識」都必須經過無數科學家努力研究才能得出。今次的主題是「為什麼我們感覺不到地球在動？」古時候並沒有人知道答案。在這個資訊發達、恆常有人駐守國際太空站上、每個人都知道答案的時代，我們又有否思考過，為什麼答案是如此這般呢？我希望藉著這個看似簡單的問題帶出一些思考的盲點。
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觀察天空是古人思考宇宙奧秘的主要方法。日出日落，斗轉星移；東升西落，周而復始。這些觀察使古人歸納出一個結論：萬物都環繞地球轉動。這個直觀的理論叫做地心說（Geocentrism）。相反，古希臘學者亞里斯塔克斯（Aristarchus of Samos）提出太陽才是宇宙中心，稱之為日心說（Heliocentrism）。埃拉托色尼（Eratosthenes of Cyrene）更是首個做實驗計算地球直徑的人。
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雖然日常生活感覺不到地面彎曲，但平面世界並不能解釋幾個觀察。首先，從海岸上望向遠方海上的帆船，總是先看見桅桿和船帆後才能看見船身；在山崖上能夠比在海邊更早看見船隻，在船上也總是先看見山崖再看見海岸；在桅桿上的水手能夠比在甲板上的水手更早看見陸地。這些都是地球表面彎曲的最直接的證據。
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再者，月食發生時，月球上的黑暗面積總是圓形的一個部分。如果月食成因是地球遮掩了投射在月亮上的日光，那麼只有當地球是球狀的時候，才能總是投影出圓形的影子。我們可以試試分別用一個足球和一塊圓形的紙板，利用燈光在牆上投射出影子。我們會發現只有當燈光垂直照射平面的紙板時，影子才會是圓形的。但如果是立體的足球，無論從哪個方向投射燈光，影子都總是圓形的。
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晚間出沒的星星與日間出現的太陽有個共通點，就是會從東邊升起、西邊落下。不過有些星星從不落下，它們只會環繞天空中一個假想的點轉動。對於身處北半球的人來說，有些星星永不落下，它們會環繞北極星附近的北天極轉動，北緯越高越多星星會這樣做。相反，身處南半球的人也會發現有些星星永遠只會環繞南天極轉動。太陽、北天極或南天極在天空中的位置亦隨緯度改變，在平的世界裡這是不可能的。因為在平面的世界裡，世界各地看見的星空都應該是一樣的。除非不同緯度的人看見的並非同一個太陽、同一堆星星，否則地球不可能是平的。
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古希臘人認為物質分為兩種，各自會有自然的運動傾向：天上的物質自然而然環繞地球運動、地上的物質自然地向宇宙中心落下。人們傾向接受地心說，因為除了眾星辰都「明顯」環繞地球運動外，如果地球真的環繞太陽運動的話，為什麼地上的物質又會向地心落下？這是古希臘人未能解釋的。
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地心說一直稱霸西方思想，甚至在東方亦一樣。古中國天文學家認為地球是方形的平面，且天空則是半球形的，即「天圓地方」之說。西方反對日心說的最大理由是地球「明顯」靜止不動。人們說，如果地球在動，那麼當物件向下掉落時，不應該掉在腳邊，而應該掉在後方，因為物件正在空中向下跌時，地球向前移動了。他們認為，即使地球並非宇宙中心，「地上的物質自然地向宇宙中心落下」依舊應該成立，所以如果地球在動，物件就理應向後方掉落而非垂直掉落了。
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直至1624年，伽利略（Galileo Galilei）提出「船實驗」，才把這個攻擊日心說的主要理由消除。伽利略在行進中的船上觀察物件落下，發現與在陸地上時一樣掉在腳邊。這代表物件並不會原地垂直落下，而是會跟隨船隻一邊向前行進、一邊落下。在陸地上看，這個物件的軌跡是一條拋物線。這就代表地球並不一定是靜止的，因為這實驗證明了物件並非永遠向地球中心掉落。
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換句話說，伽利略發現了慣性定律。因為慣性定律，我們不能分辨地球究竟是靜止的還是在作等速運動。當然，地球的自轉和公轉運動並非等速運動，因此伽利略的船實驗只顯示了近似的慣性定律。根據牛頓力學，我們知道地球和太陽之間以萬有引力互相吸引，其結果就是地球環繞太陽公轉。不過只有公轉並不足以解釋恆星、太陽、月亮、行星的周日運動（diurnal motion）和周年運動（annual motion）。地球必須自轉才能解釋所有這些天文數據。然而，這些都只是地球會動的間接證明。
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我們會在下一節討論地球自轉對地球表面上的觀測者的影響，以及地球自轉的直接證據。
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【新文章】慣性

在我所教導的一門科學通識課程 Our Place in the Universe 裡討論過一個問題：

自古希臘時期，對於宇宙的模樣有兩個主要的觀點：地心說（Geocentrism）和日心說（Heliocentrism）。地心說指地球是宇宙的中心，所有天體都環繞地球運動，而日心說則指太陽才是中心。直到16世紀，西方社會大多認為地心說是正確的。這基於幾點主要原因。一則太陽和所有天體東升西落是一般人每天也看得見的現象；二則天主教廷認為地心說符合聖經，不允許人們討論日心說。

三則比較複雜。當年的學者普遍認為物質分成兩種：地上的和天上的。地上的物質必然向著宇宙的中心（即地球的中心）掉落（縱使他們並不認為地球會運動，但已經了解到地球是球狀的），而天上的物質則環繞宇宙中心運行，不會掉落。因此，假使地球真的在運動（這並不必然代表太陽是宇宙中心），那麼當一個人站在原地不動、掉落一個物件時，該物件理應掉在該人的「後方」，因為在物件掉落的過程中，地球已經運行到另一個位置了。而我們都知道，每次掉落東西時，物件都只會落在自己的腳邊。因此，他們認為地球並不會運動，運動的是太陽。

第一點其實比較容易提出相反的意見，因為西方學者在很早以前就已經知道幾何學上不難建構出一個日心說模型，能夠解釋行星和恆星在天上的運動。他們知道，恆星之間不會移動，只會有每日東升西落的集體運動，而行星卻除了東升西落之外，相對背景星空亦會移動，甚至有時候會出現逆行的情況。事實上行星和恆星的運動方式不同，就是區別出行星的原因，行星（planet）本意指「遊蕩的星星」。到了16世紀，哥白尼提出的日心說模型為了解釋日漸精準的天文觀測（依然只靠肉眼，望遠鏡仍未被用於天文觀測之上），其複雜程度其實與地心說模型（主要是2世紀的托勒密理論）不遑多讓。至於第二點其實是對第一點的補足和對異見的禁制。既然地心說可以解釋天文數據，又得到聖經的背書，那麼它就一定是正確的，因為因上帝啟示而寫出的聖經是不會有錯的。誰提出相反觀點，誰就是異端，需要接受宗教法庭的審判。因此，令社會上大多數人都避談日心說的主因，是天主教廷的極權白色恐怖。

至於第三點，人們本以為這是個無懈可擊的論點，因為即使拋開上述兩點，地球不動這個經過實驗驗證的結論似乎也是堅不可破。然而17世紀的伽利略做了個很簡單的實驗，證明這個論點有一個根本性的問題。

伽利略的實驗非常簡單，你我也可隨時重複這個實驗：在一艘行進中的船上掉落一個物件。結果所有人都知道，就是物件會掉落在腳邊，就如同站在地面上靜止不動時，掉落物件的結果一樣。然而，如果我們不是與伽利略一起在船上，而是站在岸上看著伽利略在船上做這個實驗，我們看見的物件軌跡就不是一條直線，而是一條拋物線，因為船正在行進當中。

因此，基於同樣道理，即使地球在行進當中，掉下的物件都會與地球一同前進。伽利略發現了慣性定律。

這裡有一點要注意。我留意到有些同學會以為這實驗證實了地球在運動，但這是個錯誤的結論。伽利略這實驗所證明的，只是上述「認為日心說是錯誤的第三點理由」並不成立。既然船是在地球表面運動，那麼無論假設地球動或不動也好，物件都應該掉落在船的後方。因此，物件隨船的行進方向掉落的這個結果，只代表地球並不一定不動而已。話雖如此，這個結論在當年的人們來說是震撼性的，因為它顛覆了古希臘（主要以亞里士多德和托勒密為首）的物理理論。

慣性（inertia）的發現，可說是現代物理學正式誕生的一刻。牛頓力學和愛因斯坦的相對論，都把慣性參考系放在一個特殊的地位，與其他非慣性參考系分隔開來。簡單地說，慣性就是一個物體維持其運動狀態的傾向。或者（不太嚴謹但又不太離譜地）我們可以說動量（momentum）就是量化慣性的方法。直到愛因斯坦在1915年發表完整的廣義相對論，才對慣性和非慣性參考系之間的異同有更深的了解。

在傳播科學知識的過程中，我也發現了人的另一種「慣性」。那是一種思考的慣性。我發現（包括我自己在內）人會以習慣的方式去思考問題。換句話說就是雖然最終結論可能是一致的，但各人會以不同的思路出發，著重重點可能都不相同。不過這是完全沒有問題的。正因為不同的人會有不同的思維模式，世界上人與人之間的交流才會這麼豐富和有趣。

最常見利用不同思路達到一致結論的領域，應該是數學和科學。數學有邏輯上的絕對性，科學亦有大自然作為最高法院，兩者的真確性並不受人類的意見所左右。這就好像用兩種方法證明同一個數學定理，或者用兩種實驗證實同一個科學理論。

但令我不解的是，有種思考慣性是會傾向把事實扭曲來迎合個人立場。當事實與他們的認知不同的時候，他們會更堅定地相信自己的想法，否認事實或者用各種陰謀論去解釋事實與他們的信念之間的落差。心理學裡，這叫做 backfire effect。

我舉一個例子。有些人到現在仍然相信地球是平的、是宇宙的中心，他們會用上述第三點去反駁「地球環繞太陽運行」的客觀科學事實，但他們同時亦能理解物理學中的慣性定律。他們也會利用牛頓力學駕駛車輛，卻不理解這在一個平的世界上會導致什麼不同的結果；會運用應用了廣義相對論的全球衞星定位系統，卻不相信人類曾上太空；會相信自己 Google 出來的陰謀論是正確的，卻認為同樣能被 Google 出來的科學資訊都是謊言。這種對固有想法的「慣性」有可能是人類演化遺留下來的自我保護機制，不惜犧牲事實、邏輯和理性也要「捍衛」自己的信念，甚至認為自己才是「理性」的，其他人要不是被陰謀論所欺騙，就是參與陰謀論的一份子，迫害他們這群「覺醒者」。

發現物理學的慣性定律是人類邁向現代文明的里程碑。我希望人人都能拋開對固有想法的「慣性」，保有理性的自由意志，開創人類未來新的一頁。

先備知識：
1.速度、加速度的概念

影片重點：
1.牛頓第一運動定律：物體不受外力時（或所受合力=0），則靜者恆靜，動者恆作等速度運動。
2.我們認為物體要持續等速度運動是需要持續給予外力是因為我們忽略的摩擦力的影響。
3.牛頓第一運動定律是建立在伽利略的實驗基礎上。

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