慣性定律的建立過程

慣性定律是牛頓力學的重要基石之一，從亞里斯多德的自然哲學轉變到牛頓的經典力學，最深刻的變化就在於建立了慣性定律。前者認為一切物體的運動都是由於其它物體的作用；而後者認為「每一個物體都會繼續保持其靜止或沿一直線作等速運動的狀態，除非有力加於其上，迫使它改變這種狀態。」這就是牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中，作為第一條公理提出的基本原理。

1古代的認識

牛頓

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，他們歸之於原子在虛空中直線運動，因為沒有阻力，運動極快而永恆。」這裡所謂的古人，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：「當原子在虛空裡被帶向前進而沒有東西與他們碰撞時，它們一定以相等的速度運動。」應該指出，不論是古希臘的哲學家還是後來他們的信徒，都無法證實這條原理，只能看成是猜測或推想的結果。

亞里斯多德則斷言，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。這種說法似乎與經驗沒有矛盾，但是顯然經不起推敲。例如，對於拋射體的運動，亞里斯多德解釋說，之所以拋射體在出手後還會繼續運動，是由於手或機械在作拋物動作中同時也使靠近物體的空氣運動，而空氣再帶動物體運動。但是，在亞里斯多德的思辨中，不可避免地會出現漏洞。人們要問，空氣對物體的運動也會有阻力作用，為什麼有的時候推力大於阻力，有的時候阻力又會大於推力？

儘管亞里斯多德被奉為聖賢，他的學說在中世紀還是不斷有人批駁，逐漸被新的見解所代替。

2 中世紀的學說

6世紀希臘有一位學者對亞里斯多德的運動學說持批判態度，他叫菲洛彭諾斯（J.Philoponus）。他認為拋體本身具有某種動力，推動物體前進，直到耗盡才趨於停止，這種看法後來發展為「衝力理論」。代表人物是英國牛津大學的威廉（William of Ock- ham,1300—1350），他認為，運動並不需要外來推力，一旦運動起來就要永遠運動下去。他寫道：

「運動並不能完全與永恆的物體區分開，因為當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，就可以對各種運動給予澄清。」例如，關於拋射體運動，他解釋為：「當運動物體離開投擲者後，是物體靠自己運動，而不是被任何在它裡面或與之有關的動力所推動，因為無法區分運動者和被推動者。」他舉磁針吸鐵為例，說明要使鐵運動並不一定直接接觸，並且還進一步設想，這種情況在真空中也能實現，可見亞里斯多德認為真空不存在的說法是可疑的。當然，威廉的說法並不等於慣性原理，但是卻是走向慣性原理的重要步驟。因為，如果運動不需要原因，一旦發生就要永遠持續，亞里斯多德的推動說就要從根本上受到動搖。巴黎大學校長布裡丹（F.Buridan，1300－1358）也是批判亞里斯多德運動學說的先行者。他反對空氣是拋射體運動的推動者，亞里斯多德對拋射體的解釋是：在拋射體的後面形成了虛空區域，由於自然界懼怕虛空，於是就有空氣立即填補了這一虛空區域，因而形成了推力。布裡丹反問道：「空氣又是受什麼東西的推動呢？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，它們轉動時無前後之分。兩支標槍：一支兩頭尖，另一支一頭尖一頭鈍，然而投擲時並不見得前者慢後者快。水手在船上，只感到迎面吹來的風，而不感到背後推動的風。這些都說明：「空氣持續推動拋射體」的說法不符合事實。於是他提出「衝力理論」，認為：「推動者在推動一物體運動時，便對它施加某種衝力或某種動力。」

布裡丹的工作有兩個人繼續進行，一位是Saxony的阿爾伯特（Albert，1316－1390），另一位是奧裡斯姆（Nicholas Oresme，1320－1382），他是布裡丹的學生。他們發展了衝力理論，阿爾伯特運用衝力來說明落體的加速運動，認為速度越大，衝力也越大，他寫道：

「根據這個（理論）可以這樣說，如果把地球鑽通，一重物落入洞裡，直趨地心，當落體的重心正處於地心時，物體將繼續向前運動（越過地心），因為衝力並未耗盡。而當衝力耗盡後，物體將回落。於是將圍繞地心振蕩，直到衝力不再存在，才重又靜止下來。」

請注意，阿爾伯特這個例子後來伽利略在《兩大世界體系》中也有討論，可見布裡丹、阿爾伯特、奧裡斯姆等人的早期工作為伽利略和牛頓開闢了道路。不論是伽利略，還是牛頓，都在自己的著作中留下了衝力理論的烙印。

3 伽利略的研究

伽利略

伽利略在自己的著作中多次提出類似於慣性原理的說法，例如在《關於託勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）中，：

「只要斜面延伸下去，球將無限地繼續運動，而且在不斷加速，因為運動著的重物的本性就是這樣。」

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為球體會繼續運動到多遠呢？

辛：只要平面不上升也不下降，平面多長，球體就運動多遠。

薩：如果這樣一個平面是無限的，那末，在這個平面上的運動同樣是無限的了，也就是說，永恆的了。」

在另一本著作《兩門新科學》（1638年）中，伽利略再次表述了慣性定律，他用圖1－3中小球的運動來說明他的見解。假設沿斜面AB落下的物體，以B點得到的速度沿另一斜面BC向上運動，則物體不受BC傾斜的影響仍將達到和A點同樣的高度，只是需要的時間不同而已。

但是，伽利略又同時認為，等速圓周運動也是慣性運動，並進而論證行星正是由於按圓周軌道作等速運動才能永恆地運轉，而他的直線運動實際上只限於沿著水平面的運動，所以並沒有正確地表達慣性定律。

4 笛卡兒的工作

笛卡爾

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

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

（二）所有的運動，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，運動一旦加於物體，就會永遠保持下去，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動，將永遠運動並保持同一速度。」笛卡兒比其他人高明的地方就是認識到慣性定律是解決力學問題的關鍵所在，是他最早把慣性定律作為原理加以確立，並視之為整個自然觀的基礎，這對後來牛頓的綜合工作有深遠影響。然而，笛卡兒只停留在概念的提出，並沒有成功地解決力學體系問題，而牛頓對慣性定律的認識也經過了一番曲折，直到1687年撰寫《自然哲學的數學原理》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。