为什么牛顿第一定律又称惯性定律

人类如何知道惯性，为什么惯性定律是牛顿第一定律的另一个名称，而不是伽利略或笛卡尔的发现？本文根据历史事实，对这一问题作了初步的阐述。

古希腊哲学家亚里士多德(公元前384-322年)在他的著作《物理学》中认为，机械运动包括自然运动和强迫运动，如马车和奴隶拖轮。这些运动必须有推动者，也就是说，这些运动必须由外力来维持，否则它们将会停止。他认为“所有运动的物体都必须由某种东西驱动”几千年来，人们一直相信亚里士多德的说法，即外力是物体产生和保持运动的原因。亚里士多德基于对现象的观察和直觉推理方法得出了一个结论。他没想到会用实验来验证。在他的思想中，他对惯性一无所知。

比亚里士多德晚的另一位古希腊哲学家伊壁鸠鲁(公元前342-270年)提出了不同的观点。他说:“尽管原子的质量和形式如此不同，但它们在真空中以同样的速度运动。”古罗马原子论者卢克莱修(约公元前99-55年)在他的“物质理论”中说，“所有的东西，虽然重量不相等，但必须以同样的速度冲下，穿过寂静的虚空。”他们两人对惯性运动有看法，但他们只是猜测和推理。

我国早在春秋战国时期就有过“莫箐”的惯性讨论。春秋战国末期的“考工记”？《战车先生》中有一个更明确的记录:“当你试图获得更多的马力时，一旦马力耗尽，你仍然可以获得它。”这意味着当马拉车时，尽管马不再对车施加任何力，车仍然可以继续行驶一段时间。这显然是在讲述一个惯性的故事。

在14世纪，布鲁登曾说过:“一个物体被抛出后，如果没有外力，它自身的动量(momentum)可以使物体永远保持匀速运动。”15世纪罗马教堂的主教，库萨？古拉(1401-1464)说:“一个光滑的球在光滑的地板上移动，它会继续移动，直到被什么东西挡住。”这些人的意见都是基于某些哲学，缺乏实验基础，但他们都影响了亚里士多德的主张一个接一个。

真正令人信服的论点是由意大利物理学家伽利略(1564-1642)提出的。在他的《托勒密和哥白尼的对话》一书中，他通过萨尔瓦托勒(伽利略的发言人)和辛普利西欧(亚里士多德的发言人)之间的对话来解释惯性。

山:“……假设有一个像镜子一样光滑的平面，由像钢一样坚硬的材料制成。这个平面不平行于地平线，但有点倾斜。如果在球上放一个由像钢一样又硬又重的材料制成的圆形球，你认为松开手后球会怎么样？......如果相同的可移动物体被放置在既不向上也不向下倾斜的表面上，会发生什么？”

辛:“如果你把它放在这个平面上，不要动，在这种情况下，物体根本不动，但是如果你给了它一个在某个方向上的初始脉冲，那么就没有加速或减速的理由。”

山:这是真的，但是如果没有理由让球慢下来，就没有理由让它停下来。那么，球会继续移动多远？”

山:“如果这个空间是无限的，这个空间中的运动也会是无限的吗？换句话说，它是永恒的吗？”

辛:“我想是的。”

在这段对话中，伽利略通过理想的实验，迫使亚里士多德的发言人承认，没有外力，非自然的运动可以继续。伽利略还在他的《关于动力学和局部运动的对话》一书中写道:“我们可以进一步提出，一旦任何速度应用于运动物体，只要加速度或减速度的外部原因被消除，速度就可以保持不变，但是这种情况只能发生在水平面上，因为在向下倾斜的平面上已经有一个加速度因子，而在向上倾斜的平面上已经有一个减速度因子。这表明水平面上的运动是永久的，因为如果速度是均匀的，它就不会降低或减慢，也不会停止。”伽利略的声明明确提出了“惯性原则”。

伽利略惯性原理的结论是通过大量的观察和实验推理得出的。因为任何实际的运动都不能消除所有的外部影响，所以仅凭实际观察不可能得出“不需要外力来维持运动”的结论。推理也必须使用，即理想化的实际运动。正是基于理想的实验，伽利略将实验与理论分析结合起来，得出了正确的结论。最简单、最本质的理想状态是从复杂的实际现象中抽象出来并加以分析，从而获得对自然规律的正确理解。这是伽利略方法的突出特点，也是他能够在科学上超越前人的根本原因。爱因斯坦曾这样说过:“伽利略的发现和他运用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”(《物理学的进化》第3页)他还说:“伽利略对科学的贡献在于摧毁了直观的观点，并用新的观点取而代之，这是伽利略发现的重要意义。”(物理学的发展，第5页)

伽利略发现了“惯性原理”，但他没有完全摆脱亚里士多德的影响。尽管他清楚地指出，在没有摩擦或边界的水平面上的运动将是永恒的匀速直线运动，但他反复强调，在其他地方，匀速圆周运动可能是自然的和永恒的，尤其是在早期出版的《托勒密与哥白尼两个世界体系的对话》一书中。他说他同意亚里士多德的结论，并承认世界是一个三维系统，因此是最完美的。既然世界是最完美的，它必须是有序的。“为了维持宇宙所有部分的完美秩序，有必要说运动的物体只能沿着一个圆运动。如果有任何物体不沿圆周运动，它就不能运动。这意味着只有静态和循环运动才适合维持秩序。”伽利略在这里说得很清楚，平面是指每个部分与地球中心距离相等的水平面，而不是空间中的直线。

法国哲学家笛卡尔(1596-1650)在阐明运动守恒定律时提出:“运动的本质是，如果没有其他原因，一个物体在运动，它将继续以相同的速度在相同的直线方向上运动，既不停止也不偏离原来的方向。”这为人们最终获得惯性定律提供了一个跳板。在笛卡尔看来，惯性是忍受外部影响的能力。然而，笛卡尔曾经猜想惯性是可变的，也就是说，惯性随着速度而变化。这是他的错误。

英国物理学家、数学家和经典物理学的创始人牛顿(1642-1727)在1687年出版的历史巨著《自然哲学的数学原理》中，在前人研究的基础上，定义了力学的几个基本概念。其中，定义3:“物质的惰性力或固体力是一种抵抗能力。由于这种力，任何物体都必须保持静止或匀速直线运动的当前状态。”牛顿对这个定义给出了如下解释:“由于物质的惯性，物体很难脱离其静态或运动状态。基于这种考虑，这种代表惯性的力可以用最确切的名字叫做惯性力。”惯性，作为运动物体固有的或自然的属性，一直沿用至今，最早是由牛顿提出的。牛顿也相信:“这个力总是与物体成正比。”这句话通常写在现代教科书中:物体的质量是其惯性的量度，物体的质量在惯性上是很大的。

牛顿在《自然哲学的数学原理》中继续提出了三个运动定律。第一条定律是第一条定律:“每个物体必须继续保持静止状态，或者沿着直线匀速运动，除非有外力作用于它，迫使它改变这种状态。”这条定律揭示了任何物体都具有保持其原始运动状态的特性，即惯性。当一个物体不受力时，它处于静止的匀速直线运动状态，反映了它保持其原始运动状态的特性。当一个物体受到外力时，惯性会阻止运动状态的变化。这时，这个特征就清楚地表现出来了。因此，对惯性的正确理解和惯性定律的建立最终应该归功于牛顿，所以牛顿的第一定律也被称为惯性定律。

牛顿第一定律(惯性定律)的建立具有深刻的哲学意义。它告诉人们惯性是所有物体的本质，打破了地面运动和空间运动之间的人为界限，统一了宏观和微观运动，并提出了处理任何运动的单一模式。从这个观点出发，我们可以顺利地研究物体运动状态变化的原因，这是第二定律和第三定律的基础。

从亚里士多德到伽利略再到牛顿，人类对惯性的理解经历了无数著名和无名科学家2000多年的探索，才逐渐完善。伽利略利用理想实验的思想和方法给了人们深刻的启示。这段历史是每个学习物理并愿意通向成功之路的人的最佳参考。