第四節(jié)　慣性定律的建立

慣性定律是牛頓力學(xué)的重要基石之一，從亞里士多德的自然哲學(xué)轉(zhuǎn)變到牛頓的經(jīng)典力學(xué)，最深刻的變化就在于建立了慣性定律。前者認(rèn)為一切物體的運(yùn)動都是由于其它物體的作用；而后者認(rèn)為“每一個物體都會繼續(xù)保持其靜止或沿一直線作等速運(yùn)動的狀態(tài)，除非有力加于其上，迫使它改變這種狀態(tài)。”這就是牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，作為第一條公理提出的基本原理。

古代的認(rèn)識

牛頓在他的手稿《慣性定律片斷》中寫道：“所有那些古人知道第一定律，他們歸之于原子在虛空中直線運(yùn)動，因為沒有阻力，運(yùn)動極快而永恒。”這里所謂的古人，可以追溯到古希臘時代，德漠克利特（Democritus，公元前460—371）、伊壁鳩魯（Epicurus，公元前342—270）都有這樣的看法。例如，伊壁鳩魯就說過：“當(dāng)原子在虛空里被帶向前進(jìn)而沒有東西與他們碰撞時，它們一定以相等的速度運(yùn)動?！睉?yīng)該指出，不論是古希臘的哲學(xué)家還是后來他們的信徒，都無法證實這條原理，只能看成是猜測或推想的結(jié)果。

亞里士多德則斷言，物體只有在一個不斷作用者的直接接觸下，才能保持運(yùn)動，一旦推動者停止作用，或兩者脫離接觸，物體就會停止下來。這種說法似乎與經(jīng)驗沒有矛盾，但是顯然經(jīng)不起推敲。例如，對于拋射體的運(yùn)動，亞里士多德解釋說，之所以拋射體在出手后還會繼續(xù)運(yùn)動，是由于手或機(jī)械在作拋物動作中同時也使靠近物體的空氣運(yùn)動，而空氣再帶動物體運(yùn)動。但是，在亞里士多德的思辨中，不可避免地會出現(xiàn)漏洞。人們要問，空氣對物體的運(yùn)動也會有阻力作用，為什么有的時候推力大于阻力，有的時候阻力又會大于推力？

盡管亞里士多德被奉為圣賢，他的學(xué)說在中世紀(jì)還是不斷有人批駁，逐漸被新的見解所代替。

中世紀(jì)的學(xué)說

6世紀(jì)希臘有一位學(xué)者對亞里士多德的運(yùn)動學(xué)說持批判態(tài)度，他叫菲洛彭諾斯（J．Philoponus）。他認(rèn)為拋體本身具有某種動力，推動物體前進(jìn)，直到耗盡才趨于停止，這種看法后來發(fā)展為“沖力理論”。代表人物是英國牛津大學(xué)的威廉（1300—1350），他認(rèn)為，運(yùn)動并不需要外來推力，一旦運(yùn)動起來就要永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。他寫道：“運(yùn)動并不能完全與永恒的物體區(qū)分開，因為當(dāng)可以用較少的實體時，就無需用更多的實體……。沒有這一額外的東西，就可以對各種運(yùn)動給予澄清。”例如，關(guān)于拋射體運(yùn)動，他解釋為：“當(dāng)運(yùn)動物體離開投擲者后，是物體靠自己運(yùn)動，而不是被任何在它里面或與之有關(guān)的動力所推動，因為無法區(qū)分運(yùn)動者和被推動者。”他舉磁針吸鐵為例，說明要使鐵運(yùn)動并不一定直接接觸，并且還進(jìn)一步設(shè)想，這種情況在真空中也能實現(xiàn)，可見亞里士多德認(rèn)為真空不存在的說法是可疑的。

當(dāng)然，威廉的說法并不等于慣性原理，但是卻是走向慣性原理的重要步驟。因為，如果運(yùn)動不需要原因，一旦發(fā)生就要永遠(yuǎn)持續(xù)，亞里士多德的推動說就要從根本上受到動搖。

巴黎大學(xué)校長布里丹（1300—1358）也是批判亞里士多德運(yùn)動學(xué)說的先行者。他反對空氣是拋射體運(yùn)動的推動者，亞里士多德對拋射體的解釋是：在拋射體的后面形成了虛空區(qū)域，由于自然界懼怕虛空，于是就有空氣立即填補(bǔ)了這一虛空區(qū)域，因而形成了推力。”布里丹反問道：“空氣又是受什么東西的推動呢？顯然還有別的物體在起作用，這樣一連串的推動根源何在呢？”他又舉出磨盤和陀螺為例，它們轉(zhuǎn)動時無前后之分。兩支標(biāo)槍：一支兩頭尖，另一支一頭尖一頭鈍，然而投擲時并不見得前者慢后者快。水手在船上，只感到迎面吹來的風(fēng)，而不感到背后推動的風(fēng)。這些都說明：“空氣持續(xù)推動拋射體”的說法不符合事實。于是他提出“沖力理論”，認(rèn)為：“推動者在推動一物體運(yùn)動時，便對它施加某種沖力或某種動力?！?/p>

布里丹的工作有兩個人繼續(xù)進(jìn)行，一位是Saxony的阿爾伯特（1316—1390），另一位是奧里斯姆（1320—1382），他是布里丹的學(xué)生。他們發(fā)展了沖力理論，阿爾伯特運(yùn)用沖力來說明落體的加速運(yùn)動，認(rèn)為速度越大，沖力也越大，他寫道：

“根據(jù)這個（理論）可以這樣說，如果把地球鉆通，一重物落入洞里，直趨地心，當(dāng)落體的重心正處于地心時，物體將繼續(xù)向前運(yùn)動（越過地心），因為沖力并未耗盡。而當(dāng)沖力耗盡后，物體將回落。于是將圍繞地心振蕩，直到?jīng)_力不再存在，才重又靜止下來?！?/p>

請注意，阿爾伯特這個例子后來伽利略在《兩大世界體系》中也有討論，可見布里丹、阿爾伯特、奧里斯姆等人的早期工作為伽利略和牛頓開辟了道路。不論是伽利略，還是牛頓，都在自己的著作中留下了沖力理論的烙印。

伽利略的研究

伽利略在自己的著作中多次提出類似于慣性原理的說法，例如在《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）中，他寫道：

“只要斜面延伸下去，球?qū)o限地繼續(xù)運(yùn)動，而且在不斷加速，因為運(yùn)動著的重物的本性就是這樣?！?/p>

再請讀他的作品中的另一段對話：

“薩：……如果沒有引起球體減速的原因……你認(rèn)為球體會繼續(xù)運(yùn)動到多遠(yuǎn)呢？

辛：只要平面不上升也不下降，平面多長，球體就運(yùn)動多遠(yuǎn)。

薩：如果這樣一個平面是無限的，那末，在這個平面上的運(yùn)動同樣是無限的了，也就是說，永恒的了。”

在另一本著作《兩門新科學(xué)》（1638年）中，伽利略再次表述了慣性定律。

但是，伽利略又同時認(rèn)為，等速圓周運(yùn)動也是慣性運(yùn)動，并進(jìn)而論證行星正是由于按圓周軌道作等速運(yùn)動才能永恒地運(yùn)轉(zhuǎn)，而他的直線運(yùn)動實際上只限于沿著水平面的運(yùn)動，所以并沒有正確地表達(dá)慣性定律。

笛卡兒的工作

1644年，笛卡兒（1596—1650）在《哲學(xué)原理》一書中彌補(bǔ)了伽利略的不足。他明確地指出，除非物體受到外因的作用，物體將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動狀態(tài)，并且還特地聲明，慣性運(yùn)動的物體永遠(yuǎn)不會使自己趨向曲線運(yùn)動，而只保持在直線上運(yùn)動，他表述成兩條定律：

（一）每一單獨的物質(zhì)微粒將繼續(xù)保持同一狀態(tài)，直到與其它微粒相碰被迫改變這一狀態(tài)為止；

（二）所有的運(yùn)動，其本身都是沿直線的。

他在給友人麥森的信（1629年）中就已斷言：“我假設(shè)，運(yùn)動一旦加于物體，就會永遠(yuǎn)保持下去，除非受到某種外來手段的破壞。換言之，某一物體在真空中開始運(yùn)動，將永遠(yuǎn)運(yùn)動并保持同一速度。”

笛卡兒比其他人高明的地方就是認(rèn)識到慣性定律是解決力學(xué)問題的關(guān)鍵所在，是他最早把慣性定律作為原理加以確立，并視之為整個自然觀的基礎(chǔ)，這對后來牛頓的綜合工作有深遠(yuǎn)影響。

然而，笛卡兒只停留在概念的提出，并沒有成功地解決力學(xué)體系問題，而牛頓對慣性定律的認(rèn)識也經(jīng)過了一番曲折，直到1687年撰寫《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》之際，才擺脫舊觀念的束縛，把慣性定律作為第一原理正式提了出來。