普通人的日常體驗
自古以來人們都有這樣的直接感覺:力產生運動,力大運動速度快,力小運動速度慢,力與運動速度緊密相關。力是物體運動的原因。
產生這種感覺是很自然的。在自然界除了日月星辰是在運動以外,一切幾乎都是靜止的,但是當用力推一下桌子,桌子移動了,若不再用力,桌子又不動了。這說明力可以產生速度,有了速度,就有了運動;天上飛的小鳥,地下奔跑的動物,還有人的生產生活運動,都是有力作用在上面,就是拂動的一草一木也是因為風力在作用,沒有力就不會運動。再看一輛馬車,兩匹馬拉馬車具備一定的速度,如果換成四匹馬拉,馬車的速度要快得多。由此又說明,力大速度快,力小速度慢。
上述結論不要說我們一個普通人(如果他從來沒有學過物理)憑著直覺,認為是正確的,就是公元前古希臘偉大的學者亞裡斯多德在他寫的《力學》中,也發現了這條「規律」,
他寫道:
「推一個物體的力不再去推它時,原來運動的物體便歸於靜止。」
然而這個結論是錯誤的,直覺往往被一些表面現象所掩蓋,由於有摩擦力和空氣阻力的存在,使我們產生了這種錯覺。
牛頓力學的創立和它的思想
伽利略在他的《兩種新科學的對話》中這樣精闢地寫道:一個運動物體假如有了某種速度以後,只要沒有增加或減小速度的外部原因,便會始終保持這種速度。
伽利略的結論與亞裡斯多德的結論顯然是針鋒相對的:亞裡斯多德認為力與速度緊密相連的,而伽利略認為力與速度並沒有必然的聯繫,在沒有外力的情況下,物體保持靜止或勻速直線運動。這也就是後來牛頓所發展的思想,形成牛頓力學的基礎。
應該說伽利略和牛頓居然能夠從現實世界中「超脫」出來,在一個完全理想的真空環境中研究力和運動的關係,這是很不簡單的。這種衝破現實的開創精神是難能可貴的。
現在對於稍為學過一點物理的人來說,都能理智的認為:力並不產生速度,力只與加速度有關。即力是改變物體運動狀態的原因,而非物體運動的原因。物體在無外力作用時始終保持它原來的靜止狀態或勻速直線運動。大家都很虔誠地認為牛頓三定律及萬有引力定律都是千真萬確的。
那麼現在我們又要再來打一個問號:牛頓定律果真放之四海而皆準嗎?
比如說世界上有沒有一個物體在無外力作用時始終保持原來的靜止狀態或勻速直線運動呢?你一定會說有,你會舉例說一草一木一石,如果沒有外力,它們保持著靜止,太陽月亮星星,始終是在不停的運轉。
然而我要說,這些例子並不說明問題。因為世界上一切事物靜止是相對的,運動是絕對的,因此一草一木一石,怎麼能說他們是靜止的呢?但是如果說他們是運動的(或許說他們在另一個坐標系統中是運動的),那麼使他們運動的外力是什麼呢?再說太陽月亮星星固然是在不停的運轉,但它們並不是勻速直線運動,而是沿著橢圓的軌道,在軌道上的速率也不是恆定的,它們按照克卜勒定律在變化。況且這種橢圓運動是受著相互之間的引力支配著。於是,在地球上找不到一個真空環境,在太空中即使有了真空環境(實際上太空中也不存在),卻又找不到一個能說明無外力下保持勻速直線運動的例子,牛頓慣性定律是超脫出現實、在完全理想真空環境下的假定,是無法真正進行驗證的。由此牛頓定律自身又產生了新的矛盾。
提出這個矛盾當然不足以大驚小怪,也並不是完全否定牛頓定律。但是從這樣一個側面觸及到牛頓定律的缺陷。為了解除這個疑難,必須引用現代物理的概念和相對論力學的原理。