User:老陳/sandbox5

歷史

亞里斯多德

早在古希臘時期，亞里斯多德就已提出關於作用力和反作用力的概念。亞里斯多德在著作《物理學》裡表明，物體A作用於物體B，這是通過物體A接觸到物體B，可是，接觸是一種「相應關係」（reciprocal relation），當物體A接觸到物體B時，物體B也接觸到物體A。他在著作《論產生和毀滅》裡更詳細的表明，物體可以分為數天物體與屬地物體兩種，屬天物體與屬地物體不同，屬天物體是由更為優級的物質組成，因此當屬天物體作用於屬地物體之時，屬地物體不會作用於屬天物體。他又補充聲明，所有屬地的物體都會相應地作用於對方，然而，假若兩個物體的強弱相差太大，則弱者將沒有足夠能力來作用於強者，例如，假若一小滴酒掉入一大桶水，則這一小滴酒將會變為水，而不會改變在大桶裡的水的性質。他在著作《論動物運動》裡對於走步的機械原理指出，為了實現走步，動物的足部必須壓踩於固定物體，一般而言，當足部壓踩於固定物體時，足部施加於物體的作用力會與物體施加於足部的反作用力完全平衡，只有當足部的作用力大於物體的反作用力時，動物才能實現走步。注意到亞里斯多德從來沒有以詞語「作用力和反作用力」，而是以詞語「相應作用」來表達他的論述，他認為，問題的重點並不是當物體A作用於物體B時，物體A激發物體B反作用，而是當兩個物體相互接觸時，每一個物體會自己自主地作用於對方，這是一種對稱性事件。

後來的希臘亞里斯多德學評論者，例如狄米斯提厄斯、約翰·菲勒龐厄斯與辛普利希厄斯，對於亞里斯多德的觀點都深信不疑，他們特別強調屬天物體與屬地球物體彼此之間的單向關係，屬天物體與屬地球物體之間絕對不會出現相應作用。

十三世紀，隨著亞里斯多德的論述逐漸在西歐傳開，西歐學者也開始接觸到相應作用問題，但是，在那時期，這問題並沒有引起甚麼關注，直到十四世紀中期，在牛津的瓦爾特·博爾理、理查·斯灣司黑德與威廉·黑特斯博理、在巴黎的阿爾貝特與 馬西利烏斯，在帕多瓦的 喬凡尼·卡撒理，才開始熱烈辯論這問題。從十五世紀到十六世紀，在北義大利大學的一些學者，例如加埃塔诺·蒂内、吉歐帆尼·馬利安尼等等，也都持續地關注這問題。通常而言，中世紀學者覺得，相互作用這點子非常艱澀；由於他們青睞研究天體行為，他們傾向於主張所有因果關係都具有非對稱性，假若兩個物體發生因果關係，強者會作用於弱者，並且改變弱者，而弱者不能作用於強者。一個物體是「施予者」，另一個是「承受者」，他們不能同時成為施予者與承受者。由於遇到種種困難，亞里斯多德的相應作用概念逐漸地被默默拋棄了，取而代之的是，當較為強勁與主動的物體A作用於較為微弱與被動的物體B時，物體B會被激發而反作用於物體A，雙方之中必定有一方邏輯優先於另一方。中世紀辯論隨著皮特盧·龐珀拿濟發表的著作《論反作用力》達到高潮，龐珀拿濟 在他的著作裡詳細研討中世紀的各種論述，他總結，反作用力無疑會發生，然而並沒有任何理論能夠對之給出滿意解釋。

在十六世紀後期與十七世紀早期，力學開始發展成為一門新科學。最早的力學專家，例如義大利的喬萬尼·貝內戴蒂與伽利略·伽利萊、荷蘭的西蒙·斯蒂文，都沒有特別關注到作用力與反作用力問題，他們主要是在研究靜力學與與動理學。直到1630年代，學者們才開始聚焦於研究屬地物體的撞擊問題，越來越被懷疑的老舊的亞里斯多德學漸漸地被力學哲學取代，根據那時期的力學哲學，任何運動改變問題都可以在原則上被約化為粒子的運動問題，而碰撞問題是最典範的運動改變問題，這問題的唯一作用模式為接觸碰撞。在這方面的研究可以分為動理分析與動力分析。動理分析專注於研究，在碰撞前後，物體的速度與動量的改變，通常會通過某種守恆原理來描述碰撞事件的物理行為。動力分析主要研究在碰撞物體的接觸介面所產生的作用力，嘗試以作用力的角度來明白碰撞現象。

在動理分析方面，法國學者勒内·笛卡尔的力學論述是基於運動守恆原理，其守恆量是個標量，稱為「動量」，是重量與速度的乘積，另外他還提出一些定律來給定各種物體碰撞的結果。例如， 假設物體A撞擊到物體B，促使物體B改變它先前的運動狀態，則物體A所失掉的動量就是物體B所獲得的動量，而總動量維持不變。在笛卡爾的論述裡，沒有動力學的作用力與反作用力，但會有類似的動理學變化，即任何物體A的運動狀態變化會跟物體B的運動狀態變化相戶匹配。再舉一個例子， 假設物體A撞擊到物體B，並且兩個物體都沒有出現任何動量的獲得或失掉，雖然一個或兩個物體的運動方向有所逆反，例如，物體A碰撞到無法移動的物體B。對於這案例，笛卡爾認為，這不應該被視為物體A與物體B之間的相互作用，而應該被視為物體B的出現造成了物體A的方向被逆反是。

捷克醫生馬克斯·馬希是動力分析的開拓者，他用衝量來量度物體的碰撞，在這裡，衝量是個向量，定義為物體的重量與速度的乘積， 假設兩個碰撞物體的衝量相等，或者一個物體與固定牆壁發生彈性碰撞，對於這兩個案例，馬希認為，作用力與反作用力相等。對於某些其它案例，馬希的分析似乎意味著衝量較小的物體會施加較小的反作用力。

十七世紀中期，作用力與反作用力論題在英國受到日增月益的關注，肯能姆·迪格比在1644年發表的著作《兩篇論文》（Two treatises）已賣到第三版，他在著作裡主張，任何作用力都會涉及到反作用力，但是作用力與反作用力並不一定會相等。創建機械哲學的英國哲學家湯瑪斯·霍布斯在1656年著作《哲學基礎》（Elements of philosophy）裡明確指出，作用力與反作用力的方向相反。 迪格比與霍布斯是良朋益友，他們常常在科研方面相互切磋琢磨。他們還有一個好朋友湯瑪斯·懷特，他在1657年發表了著作《歐幾里得科學家》（Euclides physicus），其終結了在亞里斯多德學裡關於作用力與反作用力的論述。在這本書裡，懷特明確地斷言，任何作用力都會引發大小相等、方向相反的反作用力。然而，對於作用力與反作用力的大小之所以會相等，他並沒有給出正確解釋。懷特的理論是亞里斯多德學與力學的各種元素混合在一起的產物。如同亞里斯多德與笛卡爾，他認為不存在真空，整個空間都瀰漫著某種介質。但他不贊同笛卡爾所鼓吹的慣性原理，他覺得，只當受到外在影響時，物體才會移動，假若失去外在影響，則物體最終將會停止移動。懷特主張，假設物體A撞擊到物體B，則物體A會在接觸點壓迫物體B，促使物體產生抵抗力，假若物體A的作用力足以克服物體B的抵抗力，使得物體B移動穿過環繞在四周的介質，則由於介質會抵抗被穿過，會產生反作用力於物體B，因此，物體A的作用力會被物體B的抵抗力與介質的反作用力抵銷。

牛頓是否知悉這些前人的研究？他應該不曾閱讀過《歐幾里得科學家》，因為在那時期並沒有甚麼科學文獻參考這本書，儘管哥特佛萊德·萊布尼茲曾經仔細閱讀過這本書，並且在私人手稿裡對於這本書仔細做了摘要。在1660年代，牛頓曾經閱讀了迪格比的著作《兩篇論文》和霍布斯 的著作《哲學基礎》。他很可能也曾經閱讀過收藏在劍橋大學伊薩克·巴羅的圖書館的著作《時間展望》。所以，牛頓並不是憑空原創出第三定律。這定律的雛形老早就出現在亞里斯多德的理論裡。作用力會涉及到反作用力這原理並不新奇，很多前人都已對這原理做出相關貢獻，這原理應可視為普通知識。牛頓在第三定律做出的貢獻與原創是他的綜合能力。他的第三定律使得慣性原理、加速度原理與動量守恆原理被綜合成為一門嶄新的定量力學，從而開啟了自然科學的新紀元。