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为牛顿第一定律的建立而奋斗过的人们

一、   生活经验的总结者----亚里士多德

长期以来,在研究物体运动原因的过程中,人们的经验是：要使一个物体运动,必须推塔或者拉它一下,因此,人们直觉第认为,物体的运动与推、拉等行为相联系,如果不再推、拉,原来运动的物体便会停止下来.根据这类经验,亚里士多德得出结论：必须有力作用在物体上,物体才能运动；没有力的作用,物体就要静止在一个地方.这个由明显的线索得出的错误判断,维持了近两千年,直到三百多年前伽利略的出现.

二、   理想实验的践行者----伽利略

伽利略注意到,当一个小球沿斜面向下运动时,它的速度增大；而当小球沿斜面向上运动时,它的速度减小,由此伽利略猜想：当小球沿水平面运动时,它的速度应该不增不减.那么,实际情况中,为什么小球沿水平面运动时,速度会越来越慢呢？原来是由于小球受到摩擦阻力的作用.并由此推断,若没有摩擦阻力,球将永远运动下去.伽利略为了说明他的思想,设计了一个实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动,小球将“冲”上另一个斜面.如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度.减小第二个斜面的倾角,小球在这个斜面上仍将达到同一高度,但这是他要运动的远些.继续减小第二个斜面的倾角,球达到同一高度时会离得更远.于是他想到,若将第二个斜面平放,小球会到达多远的位置呢？结论显然是,球将永远运动下去,却不再需要什么力去推动.也就是说,力不是维持物体运动的原因.当然,我们不能消除一切阻力,也不能把第二个斜面做得无限长,所以,伽利略的实验是个“理想实验”.伽利略提出：“在科学研究中，懂得忽略什么，有时与懂得重视什么同等重要.”

三、   迈向真理的接力者----笛卡尔

与伽利略同时代的法国科学家笛卡尔也研究了这个问题,他指出：如果运动中的物体没有受到力的作用,它将继续以同一速度沿同一直线运动,既不会停止下来,也不会偏离原来的方向.

四、   物理基石的奠定者----牛顿

在伽利略和笛卡尔工作的基础上,在经历了一代人以后,牛顿提出了动力学的一条基本定律：一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止.这就是牛顿第一定律.牛顿第一定律表明,物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质,我们把这个性质叫做惯性,因此,牛顿第一定律也叫惯性定律.由于这个定律给出了惯性的概念,所以人们说,它是物理学的基础,是奠定牛顿物理学的基石.

因为不可能把自然界的任何物体完全孤立起来,也就是说,不受力作用的物体是不存在的,所以,牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的产物,不可能用实验直接验证. 牛顿第一运动定律，内容为：没有受到外力作用的物体，保持匀速直线运动或静止状态不变，直到有外力迫使它改变这种状态为止.这条定律是牛顿根据伽利略、笛卡尔等人的研究成果总结出来的，是牛顿力学的出发点，故又称运动第一定律.其实，严格意义上讲，匀速直线运动的定义是否规范还有待考虑.首先，定义这种运动是需要有参照系的.因为根据相对性原理，运动是相对的，那在定义匀速直线运动的过程中如果以惯性参照系为参考的话，那定理就存在很大的问题.惯性参考系本来指的就是匀速运动的状态的实验室.这样一来，同种概念来定义自己，显然没有说服力.所以很简单就可以看出，牛顿定义这个理论时是以他的绝对空间和绝对时间定义的.

牛顿声言他所研究的运动是在“绝对空间”和“绝对时间”中进行的“绝对运动”.他写道“绝对的，真正的数学时间是在不断的流逝着，而且由于其本性而均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着.”“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远相同的和不动的.”然而，自爱因斯坦创立狭义相对论以来，人们已经彻底否定了“绝对时空”的概念，脱离物质存在的所谓“绝对时间”、“绝对运动”只不过是一些形而上学的概念.然而，定律所阐述运动是对惯性参照系而言的.现行教材对惯性参考系是这样定义的：“牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性参照系或惯性系.”显然这个定义依赖于第一运动定律，即由第一运动定律来确定惯性参照系.

牛顿用著名的水桶实验来说明惯性力的性质，其实验原理如下：一个装有水的桶，最初桶和水都静止，水面是平的.然后让桶以角速度转动，刚开始时，水未被桶带动，这时桶转水不转，水面仍是平的.过一段时间后，水渐渐被桶带动旋转，最后与桶一起以角速度转动，这时水面是凹形的.然后，让桶突然停止转动，这时水仍以角速度旋转，水面仍是凹的.牛顿认为，由于水面呈凹形是由于受到惯性离心力作用的结果，因此存在不依赖于物质的绝对空间和绝对时间.当系统相对于绝对静止的绝对空间做绝对加速运动时，就出现惯性力.因此，水面是否呈凹形只与水相对绝对空间运动有关，而与水是否相对桶运动无关.爱因斯坦则认为不存在绝对空间和绝对时间，惯性力只不过是由于系统相对于惯性系做加速运动所致.水面呈凹形，是由于水相对于惯性系转动的结果.

综上所述，牛顿第一运动定律是说一个物体不受力，它相对于惯性系就做匀速直线运动.但是又只能根据一个物体相对于惯性系做匀速直线运动，才能肯定这个物体不受力，同时又只能根据一个物体不受力时做匀速直线运动，才能断定所用的参照系是惯性系.这样，就完全陷入了逻辑循环.然而，必须认识到，牛顿第一运动定律的“逻辑循环”性质，并不影响它的科学性.实际上，惯性系是近似地存在着的.如地面以及相对于地面静止或匀速直线运动的物体都是近似程度相当好的惯性系.正是在这些近似程度相当好的惯性参照系上的无数次科学实验活动，证实了牛顿力学的相对正确性，从而间接地验证了牛顿力学出发点的第一定律的正确性.

作为力学的第一条命题——牛顿第一定律，它就必定会含有“逻辑循环”的性质，它是不可能通过物理学的其他定义或定律，也不可能通过直接的物理实验得到证明的.牛顿第一定律具有公理性，只能依靠以它为出发点所推出的大量结论与无数实验事实的符合得到验证.

牛顿第二定律是在第一定律的基础上，进一步确定了力、质量和加速度这三个物理量之间的关系，其数学表述为：                                       （1）

第二定律揭示出力是使物体获得加速度的外因，而质量是物体在受到一定的合外力作用时，决定它获得加速度大小的内因.如果将一个量值相等的合外力，分别先后作用于两个不同质量的宏观物体，它们分别沿着合外力的方向上所获得的加速度和，将于它们的质量和成反比，即                                            （2）

此比例关系与其所受合外力的大小无关.因此根据（2）式，可以确定物体的质量.当作用于物体上的合外力为一定量时，获得加速度较大的物体，其质量较小；获得加速度较小的物体，其质量较大.再结合第一定律来看，再同等的合外力作用下，物体获得加速度较大，表明该物体的原有运动状态较容易被改变，也即其惯性较小的物体获得加速度较小，表明其原有运动状态较难改变，也即其惯性较大.可见，质量使物体惯性的具体表现，是惯性大小的定量量度.

根据牛顿第二定律（1）式，当一个宏观物体不受合外力或所受合外力为零时，有这时速度矢量必为恒量.这表明了当时，物体的原有运动状态不变，这就是第一运动定律的具体表现.于是有人认为：“第二定律事实上包括了第一定律.第一定律只不过是在第二定律中，的一种特殊情况而已.”从表面上看来是有这样的关系，但是从定律的本质意义上来看，这种说法是不恰当的.第一定律有它的独立性意义，它揭示了“任何物体不受外力作用时，都要保持它原有的运动状态不变”这样的一种客观自然规律，这种规律的存在是由于物质的存在本身所具有的特殊性所决定的，而不是由第二定律导出来的.相反，正是由于有了第一定律才确定了“惯性”这个概念，有了“惯性”这个概念，才有所谓 “惯性参照系”，有了“惯性参照系”，才有了第二定律的出现.换句话说，如果缺少第一定律，则无法首先刻画力、质量和惯性系这三个最基本的概念，从而使牛顿第二定律的建立失去基础.因此，第一定律与第二定律各自具有独立性的本质意义.

根据牛顿第一定律，可以定义“力是改变物体运动状态的原因”.但是这个定义只能局限在动力学的范畴内.根据牛顿第二定律，也可以定义“力是使物体获得加速度的原因”，这个定义的局限性更大，它只能应用于指点动力学范畴.只有牛顿第三定律才揭示了“力是物体对物体的相互作用”，物体对物体的相互作用的本质是力的本质，是力的普遍性意义.但是要注意，作用与反作用这两个力是分别作用在这两个相互作用的每一个物体上，结果每一个相互作用的物体都只收到一个力的作用.因此，作用力与反作用力虽然量值相等方向相反，并且作用在同一直线上，但不是同时作用于同一物体，所以作用力与反作用力不是平衡力.

1927年爱因斯坦在纪念牛顿逝世200周年的文章中指出：“伽利略已经在认识运动定律上作了一个意义重大的开端.他发现了惯性定律和地球引力场中的自由落体定律…….但是应当注意，上面这两条陈述都是讲的整个运动，而牛顿的运动定律则回答这样的问题：在外力的作用下，质点的运动状态在一个无限短的时间内应该如何变化？只有考虑到在无限短的时间内发生了什么（微分定律），牛顿才得到一个适用于任何运动的公式.”简言之，爱因斯坦已深刻地认识到： 1）伽利略发现的惯性定律“是讲的整个运动”；2）而牛顿的运动定律，则是微分定律；3）微分定律只考虑在“无限短的时间内”发生了什么.

综上所述，第一定律揭示了物质的一个普遍的基本的属性——惯性，定义了惯性参照系，明确了力是改变物体运动状态的原因；第二定律揭示了力、质量、加速度三者的定量关系，明确了力是使物体获得加速度的原因；但这两个有关力的定义都有一定的局限性，都不是力的本质意义，只有牛顿第三定律揭示了力的本质是物体对物体的相互作用.可见，牛顿三定律各自具有独特的本质意义.牛顿三定律一起构成了整个经典力学的理论基础.

物理学正是在未知领域探索的科学，物理学丰富的历史为这种思维艺术提供了丰富的范例.物理学家常常需要在缺乏合适概念的情况下思考问题，在不知道逻辑和数学如何发挥作用的情况下找到答案，并且发明适合描述未知世界的新概念和新语言.物理学思维的艺术就在于，我们需要在面对这类困难的情况下找到合适的方法获得答案，甚至在不知道答案为什么是正确的情况下得到正确的答案，然后再考虑如何完善打造出逻辑严密的理论体系.这是辉煌的智力成就，是高超的思维艺术.此外，正是在这种首先获得的少量可靠线索的指引之下，辨析概念和打造理论体系的努力才不会陷于概念的丛林之中而找不到正确的前进方向.这样才可能在还有许多问题没有被透彻理解的情况下就建立起可靠的理论体系，这也正是在物理学历史上多次发生的情况.