跟大師學創造力2：牛頓的物理學探索+21個趣味實驗

序言
牛頓看到事物的規則。他看到日常生活、日出到日落以及春夏秋冬的節奏。他從太陽、月亮和星星在天空的穩定運行看到了規則。儘管他觸摸不到「遠在天邊」的任何東西，他仍思索著天體的運行是否依循「近在眼前」的一切所遵照的同一套定律。
 
牛頓會製作小風車、水鐘、日晷和風箏，並從中看到風力、水力和日照如何使其作用。這個小男孩透過雙眼和手指的觸覺，感知到宇宙天地同為一體。牛頓開始推想，宇宙萬物運作的背後，必然有某個共通的道理。
 
當牛頓還是個小男孩時，太陽、月球和星星都繞著地球轉的說法正要開始被推翻。在學校上課的日子以及週日上教堂，牛頓或許都曾聽說一種說法，上帝把地球以及地球上的人類安置在宇宙中心。然而，在離伍爾斯索普很遠的地方，有少數幾個人大膽質疑地心說這種核心信念。
 
等到牛頓上大學時，地心說已經站不住腳。但是，一如所有的大學生，牛頓還是要研讀古典學，尤其是古希臘文。希臘思想家很少質疑地心說。最重要的希臘哲學家亞里斯多德相信，宇宙像個一層套著一層的透明球，月球、太陽和星星在專屬層圈裡各安其位。根據亞里斯多德的學說，在月球層之外，一切是恆常不變的。此外，牛頓的教授也同意亞里斯多德的看法。
 
亞里斯多德不認為宇宙是一個整體，相反地，他認為宇宙可以分為兩個部分——「天上」和「人間」。「天上」是完美的，「人間」是混亂的。地球和蒼穹絕對不可能運行如一體。
 
然而當牛頓逐漸長大成人後，他敢於質疑亞里斯多德的世界觀。他鑽研希臘、伊斯蘭和中世紀思想家的著作；他思索哥白尼、克卜勒和伽利略等文藝復興時期天文學家所描述的天體模型。他問道，物體，如樹上的蘋果，為什麼一定會往下掉？
 
後來，牛頓從這個想法出發，建構出一個確切的模型，成為能夠通盤解釋這些現象的第一人。
 
牛頓是「自然哲學家」，也就是我們通稱的科學家或物理學家。牛頓研究的是世界的體系，他的物理學成為科學革命皇冠上的寶石。西元約一五○○年至一七○○年是個變動的年代，人們學習藉由觀察、實驗和建立形式化方法以驗證各種事物的本質。
 
牛頓發現了一套簡單俐落的法則連結「天上」與「人間」。他根據這項發現，寫出史上最有影響力的書之一：《自然哲學的數學原理》，簡稱《原理》。
 
沒錯，牛頓不但是個好奇的人，也是個讓別人覺得好奇的怪人。推崇敬佩他的人很多，不過討厭鄙夷他的人也很多。許多人就是不喜歡他。
 
 確實，英格蘭最聰明的自然哲學家是個特異的怪人。牛頓具備高度的專注力，可以埋頭工作一連好幾個月，幾乎廢寢忘食。不過短短幾年，他在物理學、天文學、光學和數學都有驚人的發現，但卻不曾告訴過任何人。
 
牛頓的內在世界仍然令人費解，只有他自己真正知道有什麼在他的腦袋宇宙中運行。牛頓生性孤僻、傲慢而善妒，記仇可以記一輩子（有事實為證）。到了晚年，他沒有什麼朋友。有時他會怨恨母親、敵視繼父，甚至想著該如何毀掉他們的房子。
 
心性如此激烈尖刻的牛頓，做任何事應該都會搞砸，然而他的思想卻領先同時代的所有人。他問道：「我要如何解釋天與地的運作都是根據同一套簡明的計畫？」
 
牛頓提出重要的大哉問，而他也找到了解答。
 
製作你專屬的「雜記本」
 
牛頓一生保存了大量的筆記本，記錄了他對各種主題的研究歷程。從自然哲學到數學，從煉金術到上帝的本質，幾乎沒有他不曾接觸過的主題。牛頓有一冊知名的筆記本，其實是他繼父的遺物。由於牛頓從來不曾住進史密斯家，他似乎是在史密斯去世後才繼承了那本幾乎完全空白的筆記本。一六○○年代，這本筆記本是非常珍貴的物品，因為當時的紙張極為昂貴，人們根本捨不得丟棄。於是年輕的牛頓接手了筆記本，做為自己的實驗紀錄本。他特別把這本筆記稱為他的「雜記本」。你可以製作自己專屬的「雜記本」，用它記錄你實行本書活動時的觀察結果。
 
所需材料：
* 鉛筆
* 兩張厚紙板或薄磅卡紙，約22公分x 28公分
* 一把剪刀
* 尺
* 打孔器
* 二十張高品質紙張，如履歷專用紙
* 約90公分長的窄版緞帶或細繩
 
製作「雜記本」的封面，在兩張厚紙板上距離左緣約三公分處，用鉛筆輕輕畫一條線，尺對齊線，用剪刀順著尺「畫」線。在每張紙上順著線摺起來再打開，做出摺痕。這樣一來，封面就能俐落地翻開。
 
在兩張封面紙的內側，將尺對齊左緣，每二點五公分標示要打洞的位置，共十個。請注意，記號的間距要均等，與封面紙緣的距離也要一樣。
 
把兩張封面紙疊在一起，沿著左緣打孔。二十張高級紙也重複同樣的程序，做成你的「雜記本」內頁。依序把封面、內頁和封底疊攏整齊。
 
現在要來裝訂你的「雜記本」，把緞帶或細繩對摺後放平，對摺處與「雜記本」底部對齊。拿起緞帶或細繩的兩頭，由下而上依序編繩穿孔。編繩穿孔方向為由前而後。
 
最後，緞帶或細繩的兩頭會在筆記本上端，先打個死結，再打個漂亮的蝴蝶結。按照你的喜好裝飾你的「雜記本」……在你進行本書後續各項活動時，希望你用得開心！
 
製作水車
牛頓還是個小男孩時，曾觀察磨坊如何運用河流的水力，把麥子磨成麵粉。而後他自己製作小型水車，研究它們究竟是如何運作的。
 
你也可以像牛頓一樣製造水車，測試它能舉起多少重量。（不過，你不必像牛頓一樣抓一隻老鼠來做實驗！）
 
所需材料：
*塑膠杯
*麥克筆
*尺
*剪刀
*萬用膠帶
*硬質塑膠吸管
*空的捲線軸
*兩公升的汽水保特瓶
*粗縫線或牙線
*迴紋針或小型彈簧夾
*墊圈或有孔砝碼
 
要製作水車，先從做六扇葉片開始。用麥克筆在塑膠杯上畫出剪裁線，剪下長六公分、寛三公分的六個長方形。
剪下十二段萬用膠帶，每段長六公分、寬一公分。用膠帶把塑膠葉片的長邊黏在線軸上。每片葉片的間距要相等，角度要相同，並確定它們朝同一個方向彎曲。
 
吸管穿過捲線軸心，在線軸兩側的孔貼上膠帶加以固定。接下來的這個步驟你會需要大人幫忙，因為保特瓶比你想像中的還難切割！把兩公升保特瓶的上部切掉，取底部的圓筒。在圓筒上緣的兩個對稱處剪兩個V形切口。距離瓶底約二點五公分高的地方打幾個洞，做為排水孔。
 
把水車輪軸架在圓筒的兩個V形切口上。在吸管的一端，剪兩道二點五至五公分長的剪口。
 
剪一段長約四十公分的粗縫線或牙線。取一段細膠帶。將線的一端穿入剪口，用細膠帶貼好固定。迴紋針綁在線的另一端，在迴紋針掛上墊圈或砝碼。
 
把水車放入水槽，讓砝碼或墊圈自然垂放。現在，慢慢打開水龍頭，讓水流足夠推動水車。水車能拉起砝碼或墊圈嗎？需要多少水力？你的水車能拉得動兩、三個墊圈或砝碼嗎？
 
 
第一章
不凡的少年
 
1658年一個陰沉的九月天，當風開始拂掃整個英格蘭之際，十五歲的牛頓正坐在學校裡的他的座位上；幾個小時之內，一團巨大的風暴將肆虐這個小國。與牛頓同校的男孩們很快就會知道還有一場風暴正在倫敦展開，那是一場政治危機。英格蘭的護國公克倫威爾去世了。現在，誰來統治英格蘭呢？
 
但是，牛頓不擔心風雨，也沒把英格蘭的憂患放在心上。暴風雨帶來了其他東西，一個讓他能夠做實驗的好機會。他迫不及待地衝到戶外，置身在風中。一開始他迎著風跳，接著又背對著風跳，就這樣一次又一次，邊跳邊做記號，看自己跳了多遠。
 
後來，牛頓將這些紀錄和他在溫和天氣所完成的跳遠紀錄做比較，如此一來他更能理解風的性質和它強大的力量。牛頓的實驗顯示，暴風的力量讓他能比平常多跳約30公分。牛頓知道他的同學有可能會懷疑他的發現，因此他用他跳遠時標記、測量的距離當作證明。
 
牛頓出生時情況危急，他能夠活到在風裡做實驗的這一天根本就是奇蹟。1642年的耶誕節，牛頓在家裡出生，但幫他母親接生的助產士認為他一定會死掉。艾薩克小寶寶嬌小到甚至可以裝進約一公升的鍋子裡。出門跑腿張羅事物的家僕甚至不急著趕回來，因為他們確信寶寶在他們回到家之前就會斷氣。新生兒的脖子都沒有力氣，因此會搖頭晃腦的，但是這個小嬰兒實在太虛弱，照顧他的人還得特製一種領子以支撐他的頭。
 
牛頓熬過生命關鍵的頭幾天後，他的母親帶他到伍爾斯索普小村莊的一間小教堂受洗。教區記事錄也記錄了這次的受洗，就像記錄在伍爾斯索普舉行的每一次浸禮：
 
 
主後1642年
艾薩克，艾薩克與漢娜．牛頓之子
於1月1日受洗
 
不過牛頓受洗時，他的父親並沒有在場觀禮。牛頓的父親也叫作艾薩克，他在牛頓的母親懷胎六個月時去世。根據當時的稅務紀錄，牛頓的父親是自耕農，擁有土地，住在一個小莊園。在稅冊上，牛頓的父親用「X」代替簽名，因為他不識字，也不會寫字。牛頓的父親風評並不好，有個見過他的人說他「粗野、放縱又軟弱」。
 
但是，這個「壞男孩」吸引了漢娜．艾斯庫的目光。在那個時代，女生鮮少接受正式教育，但是漢娜的家人讓她學了點讀寫。漢娜可能是透過弟弟威廉．艾斯庫的介紹與艾薩克．牛頓交往，她的雙親也同意了這樁婚事，她的父親送給她一塊農地當嫁妝，農地一年產出的收入大約是五十英鎊，在這對年輕夫妻所處的時代，這個數字遠遠超過一般家庭所得。牛頓的父親於三十六歲過世，死因至今仍然是個謎。
 
依照倫敦的標準，牛頓家稱不上富裕，但一家人過得相當舒適。漢娜繼承了丈夫的土地，以及土地上的一切財物，包括房舍、穀倉、羊隻、牛群和農具。漢娜學會如何管理農場以及在農場工作的工人。漢娜絕對有充分的理由相信新生的寶寶長大以後會繼承農場，並像他的父親一樣經營農場。
 
牛頓家鄉的地名充分反映了當地人養羊維生的狀況（譯注：伍爾斯索普的原文為Woolsthrope，而wool意為羊毛）。伍爾斯索普位於林肯夏郡，距離通往倫敦的主幹道北邊只有大約1.6公里。即使如此，在牛頓的時代，大部分的人很少旅行。許多人一輩子待在家鄉，不曾去過連離家只有幾公里遠的地方。
 
艾薩克寶寶與母親漢娜、外祖父詹姆士．艾斯庫、外祖母（名字已不可考），同住在伍爾斯索普的莊園裡。但是牛頓在將近三歲、經過「幼兒禮」（即不再穿嬰兒服，開始做小男孩的打扮）後，他的人生出現了轉折。離伍爾斯索普幾公里遠的北威特姆，有位頗富聲望、名叫巴那巴斯．史密斯的教區牧師，他的妻子過世，正在物色續弦的對象。漢娜．牛頓的名字引起他的注意。這名鰥夫派信使探問漢娜是否考慮嫁給他。
 
在那個時代，剛失去丈夫或妻子的人不會獨身守寡太久。在史密斯牧師眼中，漢娜是一個好對象，因為她有土地，顯然也能生育。對漢娜來說，嫁給收入穩定又有地位的神職人員，表示她可以結束守寡的生活，同時卸下獨力經營農場的重擔。於是她同意嫁給史密斯牧師。
 
但是，這樁婚事還有個阻礙。史密斯牧師不願意和三歲的艾薩克有任何瓜葛。因此，漢娜一人搬進牧師位於北威特姆的家，把牛頓留在伍爾斯索普，由外祖父母撫養。幸好漢娜有為牛頓設想，她在離開前已經為牛頓的財務經濟做好萬全的準備。根據她與史密斯牧師的婚約規定，他必須保證牛頓擁有「一塊土地」（也就是漢娜在第一段婚姻中作為嫁妝的那塊土地），同時擁有土地產出的年所得。
 
被母親留在伍爾斯索普，牛頓很可能有種被母親拋棄、忽視的感覺。青年時期的牛頓曾在一本筆記裡留下他對此感受的蛛絲馬跡。他在筆記本裡憶及，當他是個小男孩時，曾希望史密斯家的房子失火燒毀。儘管如此，在漢娜有生之年，直到1679年過世前，牛頓都對她盡心盡力，甚至在她生病時幫她調藥。但是牛頓對撫養他長大的外祖父母並沒有什麼特別的感情。他離開伍爾斯索普後，未曾對外人提起過他們。
 
牛頓十歲時，漢娜回到了伍爾斯索普。年齡大到足以當牛頓的祖父的史密斯牧師於1653年去世了，留下了三個和漢娜生的孩子。漢娜帶著三個和牛頓同母異父的弟弟妹妹回到伍爾斯索普。現在，牛頓必須和兩個小孩，班哲明和瑪麗，以及也叫漢娜的嬰兒一起分享母親的關愛。
 
如同伍爾斯索普附近村莊的許多小男孩，牛頓在村裡的學校學習一些讀書和寫字的課程，女孩如果要學習讀書寫字就在家學。他同學的父母只希望兒子的程度足以閱讀《聖經》，過著虔誠的生活長大成人。牛頓同學的家裡即使有書，也沒有什麼值得閱讀的。
 
但是牛頓在伍爾斯索普的家裡有書可讀。漢娜回來時，馬車裡裝載著許多從死去的丈夫的書房帶來的書。牛頓一定注意到那一冊冊、原本屬於他那個陌生繼父的皮面精裝書。在1600年代，不要說小小的伍爾斯索普，即使是整個英格蘭及歐洲，書都是稀少而珍貴的。在那堆書中，有一本幾乎完全空白的筆記本，原是史密斯牧師用來記錄他對上帝的重要想法，那些空白頁都是珍貴的厚磅紙，丟棄實在太可惜了。牛頓日後在上頭寫滿了他精采絕倫的構想。
 
從敬陪末座到名列前茅
牛頓十二歲了，是時候就讀更大、更好的學校。這時的漢娜已經是個富婆，格蘭特罕的國王中學似乎適合她兒子。格蘭特罕是個較大的城鎮，距離伍爾斯索普約約九點六公里。由於距離遙遠，牛頓無法走路上學，所以他借住在克拉克先生位於格蘭特罕的家。克拉克先生是鎮上的藥劑師，擁有一間藥局，他在那裡為病人調製藥品。
 
克拉克先生與他的妻子和繼子女住在藥局樓上，牛頓也搬來與他們同住。牛頓和克拉克先生的繼女變成朋友，她的名字已不可考。反觀牛頓與克拉克的兩名繼子，艾德華和亞瑟，他們相處的情況就不同了。牛頓的個頭比同年齡的男孩小，加上他的怪異習慣，使得他成為這兩個男孩捉弄的對象。在學校也一樣。牛頓就是難以融入其他男孩。
 
牛頓大部分時間都活在自己的世界裡。他喜歡獨來獨往，花很長的時間獨處。但他沒有虛度光陰。他喜歡運用雙手，是個才華洋溢的藝術家。牛頓用怪誕的野獸畫、在英格蘭王最有知名度、受人民喜愛的查理一世的畫像，和學校老師亨利．史托克斯先生的肖像，來裝飾他在頂樓房間的牆面，對此，克拉克先生並不在意。
 
牛頓也喜歡製作複雜的機械模型，例如時鐘和水車。他設計並打造了一具水鐘，掛在克拉克先生的家裡。牛頓也在一樓的藥局裡觀察藥劑師如何混合化學物，創造新物質。
 
格蘭特罕架起第一座風車磨坊時，牛頓也製作了一個小型的複製品。他把設備套在一隻老鼠身上，把牠取名為「磨坊工」，看著牠讓磨坊輪子轉動。牛頓不只製作小模型，也自製小型工具，做為做手工的輔助用品。他喜歡克拉克先生的繼女和她的姊妹淘們，他「經常為她和她的玩伴做一些小桌子、櫥櫃和餐具，用以收藏她們心愛的物品和首飾」，有人這麼回憶道。有一次，牛頓打造出一輛車，他坐進去，轉動曲柄，車子也跟著前進，女孩們這時一定覺得牛頓真是個才華出眾的男孩。
 
雖然牛頓在製作東西方面顯得聰明又靈巧，可是他在學校課業上並沒有展現出什麼天賦。格蘭特罕的學校是按照成績為學生排隊伍的次序。牛頓幾乎排在最後面。然而有一次有個排在他前面的男孩重重地踢了他肚子一腳，讓他幾乎站不穩，在那之後，情況就改變了。牛頓決定以牙還牙，也是自此開始，報復成為他一生慣常的行為模式。他在操場對著攻擊者點名叫陣，痛打對方一頓，把對方摔到教堂牆上。艾薩克．牛頓絕對不准任何人把他當傻瓜。
 
接著，牛頓用另一種方式報復其他男孩。他認真地審視他的學校課業，認為自己的表現應該排在前面。成為國王中學的「第一名男孩」才是最痛快的報復，而牛頓也真的贏得這個夢寐以求的位置。現在，他想要盡他所能學習一切。他精通拉丁文，這是全歐洲受過良好教育的人用來寫和說的語言。他研習希臘文，以求更了解蘇格拉底、柏拉圖和亞里斯多德等學者的思想和研究。
 
牛頓也學習基本的算術，可能還包括一點乘法和除法。代數和幾何學不在國王中學的課程裡。牛頓在那裡求學時，數學並不在重要學科之列，只有木匠和造船工人這一類的手藝人需要學習幾何學。然而，當史托克斯老師看出牛頓的天分，他可能已經將他所知的數學知識傾囊相授。