牛頓第一定律物理學(xué)史

1、伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)在伽利略的落體運(yùn)動(dòng)定律的形成過(guò)程中，斜面實(shí)驗(yàn)起過(guò)重要作用。他在《兩門新科學(xué)》中對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)描述得十分具體，寫道“取長(zhǎng)約 12 庫(kù)比（1 庫(kù)比＝45.7 厘米） 、寬約半庫(kù)比，厚約三指的木板，在邊緣上刻一條一指多寬的槽，槽非常平直，經(jīng)過(guò)打磨，在直槽上貼羊皮紙，盡可能使之平滑，然后讓一個(gè)非常圓的、硬的光滑黃銅球沿槽滾下，我們將木板的一頭抬高一、二庫(kù)比，使之略呈傾斜，再讓銅球滾下，用下述方法記錄滾下所需時(shí)間。我們不止一次重復(fù)這一

2、實(shí)驗(yàn)，使兩次觀測(cè)的時(shí)間相差不致超過(guò)脈搏的十分之一。在完成這一步驟并確證其可靠性之后，就讓銅球滾下全程的 1/4，并測(cè)出下降時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)它剛好是滾下全程所需時(shí)間的一半。接著我們對(duì)其他距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用滾下全程所用時(shí)間同滾下一半距離、三分之二距離、四分之三距離或任何部分距離所用時(shí)間進(jìn)行比較。這樣的實(shí)驗(yàn)重復(fù)了整整一百次，我們往往發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)的空間距離恒與所用時(shí)間的平方成正比例。這對(duì)于平面（也即銅球下滾的槽）的各種斜度都成立。我們也觀測(cè)到，對(duì)于不

3、同的斜度，下降的時(shí)間互相間的關(guān)系正如作者預(yù)計(jì)并證明過(guò)的比例一樣。 “為了測(cè)量時(shí)間，我們把一只盛水的大容器置于高處，在容器底部焊上一根口徑很細(xì)的管子，用小杯子收集每次下降時(shí)由細(xì)管流出的水，不管是全程還是全程的一部分，都可收集到。然后用極精密的天平稱水的重量；這些水重之差和比值就給出時(shí)間之差和比值。精確度如此之高，以至于重復(fù)許多遍，結(jié)果都沒有明顯的差別。 ”這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是安排得何等巧妙??！許多年來(lái)，人們都確信伽利略就是按他所述的方案做的。在

4、歷史博物館中甚至還陳列著據(jù)說(shuō)是伽利略當(dāng)年用過(guò)的斜槽和銅球。但是，當(dāng)人們重復(fù)伽利略上述實(shí)驗(yàn)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)很難得到如此高的精確度。更不能使斜槽的傾斜度任意提高。有人證明，貼了羊皮紙的木槽，實(shí)驗(yàn)誤差反而更大了。20 世紀(jì)中葉，科學(xué)史專家?guī)煲览祝↘oyré）提出一種見解，認(rèn)為伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)和他在書上描述的其它許多實(shí)驗(yàn)一樣，都是虛構(gòu)的，伽利略的運(yùn)動(dòng)定律源于邏輯推理和理想實(shí)驗(yàn)。這個(gè)意見對(duì) 19 世紀(jì)傳統(tǒng)的看法無(wú)疑是一貼清醒劑。因?yàn)殚L(zhǎng)期以來(lái)形

5、成了一種認(rèn)識(shí)，把實(shí)驗(yàn)的作用過(guò)于夸大了，好像什么基本定律，包括伽利略的運(yùn)動(dòng)定律都是從數(shù)據(jù)的積累中總結(jié)出來(lái)的。這種機(jī)械論的觀點(diǎn)到了 20 世紀(jì)理所當(dāng)然要受到懷疑論者批評(píng)。然而，伽利略究竟有沒有親自做過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)?zāi)?？他為什么?huì)想到用斜面來(lái)代替落體？他是怎樣做的斜面實(shí)驗(yàn)？這個(gè)實(shí)驗(yàn)在他的研究中起了什么作用？伽利略沒有對(duì)自己的工作作過(guò)更詳細(xì)的闡述。但是，他留下了大量手稿和許多著作。人們把他的資料編成了 20 卷文集，這是研究伽利略的寶貴史料。從 15

6、91 年伽利略的那本沒有及時(shí)發(fā)表的小冊(cè)子《論運(yùn)動(dòng)》中可以看出，伽利略很早就對(duì)斜面感興趣了。他在那里主要研究斜面上物體的平衡問(wèn)題，但也提過(guò)下列問(wèn)題：①為什么物體在陡的平面上運(yùn)動(dòng)得更快？②不同的斜面上，運(yùn)動(dòng)之比如何？他的回答是： “同樣的重量用斜面提升比垂直提升可以少用力，這要看垂直提升與傾斜提升的比例。因此，同一重物垂直下落比沿斜面下降具有更大的力，這要看斜面下降的長(zhǎng)度與垂直下落的長(zhǎng)度成什么樣的比例。 ” 既然力的大小與斜度成一定比例，

7、落體運(yùn)動(dòng)的研究就可以用斜面來(lái)代替，按一定比例“沖淡”作用的力， “加長(zhǎng)”運(yùn)動(dòng)的距離，這樣可以比落體更有效地研究運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。人們從伽利略的手稿中找到了一些證據(jù)，證明他早年確曾做過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)。其中有一頁(yè)手稿畫著一幅草圖，兩個(gè)小球正沿不同斜度的斜面向下運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明伽利略曾思考過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)。進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)要能在 2 米長(zhǎng)的斜面內(nèi)取得 8 個(gè)相繼時(shí)間內(nèi)物體（也許是小球）通過(guò)的距離，角度必須限制在 1.5°至 2°之間。從紙張的特點(diǎn)

8、可以判定這頁(yè)數(shù)據(jù)大約記于 1604 年。此時(shí)看來(lái)伽利略還沒有確定時(shí)間平方關(guān)系，因?yàn)橛涗浬系牡谝涣袛?shù)據(jù) 1、4、9、16……64顯然是后加上去的。第三列的數(shù)據(jù)有幾個(gè)地方涂改，似乎是伽利略在實(shí)驗(yàn)之后對(duì)數(shù)據(jù)作了修正。這些判斷有助于說(shuō)明伽利略的時(shí)間平方關(guān)系并不是直接從實(shí)驗(yàn)得到，而是從別的渠他寫道：“運(yùn)動(dòng)并不能完全與永恒的物體區(qū)分開，因?yàn)楫?dāng)可以用較少的實(shí)體時(shí)，就無(wú)需用更多的實(shí)體……。沒有這一額外的東西，就可以對(duì)各種運(yùn)動(dòng)給予澄清。 ”例如，關(guān)于拋射

9、體運(yùn)動(dòng)，他解釋為：“當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體離開投擲者后，是物體靠自己運(yùn)動(dòng)，而不是被任何在它里面或與之有關(guān)的動(dòng)力所推動(dòng)，因?yàn)闊o(wú)法區(qū)分運(yùn)動(dòng)者和被推動(dòng)者。 ”他舉磁針吸鐵為例，說(shuō)明要使鐵運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)，可見亞里士多德認(rèn)為真空不存在的說(shuō)法是可疑的。當(dāng)然，威廉的說(shuō)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?yàn)椋绻\(yùn)動(dòng)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(dòng)說(shuō)就要從根本上受到動(dòng)搖。巴黎大學(xué)

10、校長(zhǎng)布里丹（F.Buridan,1300—1358）也是批判亞里士多德運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)的先行者。他反對(duì)空氣是拋射體運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)者，亞里士多德對(duì)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(wèn)道：“空氣又是受什么東西的推動(dòng)呢？顯然還有別的物體在起作用，這樣一連串的推動(dòng)根源何在呢？他又舉出磨盤和陀螺為例，它們轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)無(wú)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

11、投擲時(shí)并不見得前者慢后者快。水手在船上，只感到迎面吹來(lái)的風(fēng)，而不感到背后推動(dòng)的風(fēng)。這些都說(shuō)明：“空氣持續(xù)推動(dòng)拋射體”的說(shuō)法不符合事實(shí)。于是他提出“沖力理論” ，認(rèn)為：“推動(dòng)者在推動(dòng)一物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，便對(duì)它施加某種沖力或某種動(dòng)力。 ”布里丹的工作有兩個(gè)人繼續(xù)進(jìn)行，一位是 Saxony 的阿爾伯特（Albert,1316—1390） ，另一位是奧里斯姆（Nicholas Oresme,1320—1382） ，他是布里丹的學(xué)生。他們發(fā)展了沖力理論

12、，阿爾伯特運(yùn)用沖力來(lái)說(shuō)明落體的加速運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為速度越大，沖力也越大，他寫道：“根據(jù)這個(gè)（理論）可以這樣說(shuō)，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(shí)，物體將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)（越過(guò)地心） ，因?yàn)闆_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(lái)。 ”請(qǐng)注意，阿爾伯特這個(gè)例子后來(lái)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

13、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。笛卡兒的工作1644 年，笛卡兒（Rene Descartes，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(dòng)狀態(tài)，并且還特地聲明，慣性運(yùn)動(dòng)的物體永遠(yuǎn)不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng)，而只保持在直線上運(yùn)動(dòng)，他表述成兩條定律：（一）每一單獨(dú)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

14、止；（二）所有的運(yùn)動(dòng)，其本身都是沿直線的。他在給友人麥森(Mersenne)的信（1629 年）中就已斷言：“我假設(shè)，運(yùn)動(dòng)一旦加于物體，就會(huì)永遠(yuǎn)保持下去，除非受到某種外來(lái)手段的破壞。換言之，某一物體在真空中開始運(yùn)動(dòng)，將永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)并保持同一速度。 ”笛卡兒比其他人高明的地方就是認(rèn)識(shí)到慣性定律是解決力學(xué)問(wèn)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(gè)自然觀的基礎(chǔ)，這對(duì)后來(lái)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