牛顿第一定律物理学史

1、伽利略的斜面实验在伽利略的落体运动定律的形成过程屮，斜面实验起过重要作用。他在两门新科学屮对 这个实验描述得十分具体，写道“収长约12库比（1库比=45.7厘米）、宽约半库比，厚约 三指的木板，在边缘上刻一条一指多宽的槽，槽非常平直，经过打磨，在直槽上贴羊皮纸, 尽可能使之平滑，然示让一个非常圆的、硬的光滑黄铜球沿槽滚下，我们将木板的一头抬高 一、二库比，使之略呈倾斜，再让铜球滚下，用下述方法记录滚下所需时i'可。我们不止一次 重复这一实验，使两次观测的吋间相差不致超过脉搏的十分z-o在完成这一步骤并确证其 可靠性之后，就让铜球滚下全程的1/4,并测岀下降时间，我们发现它刚好是滚下全程

2、所需 时间的一半。接着我们对具他距离进行实验，川滚卜-全程所用时间同滚卜-一半距离、三分之 二距离、四分之三距离或任何部分距离所用时间进行比较。这样的实验重复了整整一百次, 我们往往发现，经过的空间距离恒与所用时间的平方成正比例。这对于平面（也即铜球下滚 的槽）的各种斜度都成立。我们也观测到，对于不同的斜度，下降的吋间互相问的关系正如 作者预计并证明过的比例一样。“为了测量时间，我们把一只盛水的大容器置于高处，在 容器底部焊上一根口径很细的管子，用小杯子收集每次下降时由细管流出的水，不管是全程 还是全程的一部分，都可收集到。然后用极梢密的天平称水的重量；这些水重之差和比俏就 给出时间z差和比值

3、。精确度如此z高，以至于重复许多遍，结果都没冇明显的差别。” 这个实验设计是安排得何等巧妙啊!许多年来，人们都确信伽利略就是按他所述的方案做的。 在历史博物馆中甚至还陈列着据说是伽利略当年用过的斜松和铜球。但是，当人们重复伽利 略上述实验时，却发现很难得到如此高的精确度。更不能使斜槽的倾斜度任意提鬲。有人证 明，贴了羊皮纸的木槽，实验谋差反而更人了。20世纪中叶，科学史专家库依雷（koyre）提出一种见解，认为伽利略的斜面实验和他在书 上描述的其它许多实验一样，都是虚构的，伽利略的运动定律源于逻辑推理和理想实验。这 个意见对.19世纪传统的看法无疑是一贴清醒剂。因为长期以來形成了一种认识，把实

4、验的 作用过于夸大了，好像什么基本定律，包括伽利略的运动定律都是从数据的积累中总结出来 的。这种机械论的观点到了 20世纪理所当然要受到怀疑论者批评。然而，伽利略究竟有没 有亲h做过斜面实验呢？他为什么会想到用斜面來代替落体？他是怎样做的斜面实验？这 个实验在他的研究中起了什么作用？伽利略没有对自己的工作作过更详细的阐述。但是，他 留下了大量手稿和许多著作。人们把他的资料编成了 20卷文集，这是研究伽利略的宝贵史 料。从1591年伽利略的那本没有及时发表的小册子论运动屮可以看出，伽利略很早就 对斜而感兴趣了。他在那里主要研究斜而上物体的平衡问题，但也提过下列问题：为什么 物体在陡的平面上运动得

5、更快？不同的斜面上，运动z比如何？他的回答是：“同样的 重最用斜面提升比垂肓提升可以少用力，这要看垂肓提升与倾斜提升的比例。因此，同一重 物垂直下落比沿斜血下降貝有更大的力，这要看斜血下降的长度与垂直下落的长度成什么样 的比例。”既然力的人小与斜度成一定比例，落休运动的研究就可以用斜面来代替，按一定 比例“冲淡”作用的力，“加长”运动的距离，这样可以比落体更有效地研究运动的规律。 人们从伽利略的手稿中找到了一些证据，证明他早年确曾做过斜面实验。其中冇一页手稿画 着一幅草图，两个小球正沿不同斜度的斜面向下运动，说明伽利略曾思考过斜面实验。进一 步研究，发现要能在2米长的斜血内収得8个和继时间内物

6、体（也许是小球）通过的距离, 角度必须限制在1.5°至2° z间。从纸张的特点可以判定这页数据大约记于1604年。此时 看来伽利略还没有确定时间平方关系，因为记录上的第一列数据1、4、9、1664 显然是后加上去的。第三列的数据有儿个地方涂改，似乎是伽利略在实验z后对数据作了修 正。这些判断有助于说明伽利略的吋间平方关系并不是直接从实验得到，而是从別的渠道先 冇了设想，再用实验加以验证的。但是在定义匀加速运动时，他似乎走了一段弯路。起初, 他也跟别人一样，假设卜落过程屮物体的速度与下落距离成正比，即v-so他乂是通过理 想实验作出了正确的判断。他假设物体在落下第一段距离后已

7、得到某一速度，于是在落下的 距离加倍时，速度也应加倍。果真如此的话，则物体通过两段距离所用的时间将和通过第一 段距离所用时间一样。也就是说，通过笫二段距离不必花时间，这显然是荒谬的。于是伽利 略转而假设物体的速度与时间成止比，即v*t。这样的假设是否正确，当然也耍进行检验。 然而速度是难以直接测量的。于是伽利略借助于几何学的推导，得岀s*t平方2的关系， 这就是时间平方定律。对于不同的时间比1 ： 2 ： 3 ： 4,物体下落的距离比为1：4：9： 16。这些数字正是伽利略在那张实验记录上添加的第一列数字。从第一列数和第三列数的 比例关系，伽利略证明沿斜面下降的物体正在作匀加速运动。从以上论据

8、当然还不足以判定 伽利略发现落体定律的全过程，但是已经町以窥视到伽利略研究运动沪的方法。他把实验和 数学结合在一起，既注重逻辑推理，又依靠实验检验，这样就构成了一套完整的科学研究方 法。如果表成程序，伽利略的方法大致如下：伽利略把实验与逻辑推理和谐地结合在一起, 有力地推动了科学的发展。正如他在两门新科学第三天谈话结束吋说的那样：“我们可 以说，大门已经向新方法打开，这种将带來大量奇妙成果的新方法，在未來的年代里定会博 得许多人的重视。”从伽利略研究运动学这一历史片断，我们可以得到什么启示呢？首先，由于历史资料的深入发掘和研究，我们对近代科学的诞牛有了进一步的认识。那种认 为伽利略靠落体实验就

9、奠定了运动学基础的说法显然过于简单，不符合历史的本来面冃。怀 疑论者猜测伽利略没有实际做过他所描述的实验，认为他靠的是推理思辨，这一说法又为新 近发现的手稿所驳斥。看來，伽利略创立运动学理论的过程相当复杂，既有思辨，乂有实验， 他依靠的是思辨和实验的相互卬证、相互补充。这种看法，丝毫无损于伽利略这位近代科学 先驱的光辉形象，反而使他更能得到示人的理解，让后人认识到他作为古代h然哲学和近代 科学z间的过渡人物，为创建近代科学走的是一条多么艰辛的道路。英次，承认伽利略在研 究运动学的过程中思辨(逻辑思维)起重婆作用，并不否定实验在物理学发展中的地位。实 验的设计和实现总有一定目的，离不开指导思想。

10、从伽利略真正做过的落体实验和斜面实验 可以证明这一点。那种鼓吹单纯依靠实验数据的积累就足以获得客观规律，从而奠定科学基 础的说法是站不住脚的。强调这一点，并不会否定实验木身，只是否定19世纪盛行的机械 论观点；也不会抹煞丿力史上箸名实验的作用，而是要提倡对实验的历史作更透彻的研究，分 析它们的动因、设计思想、历史背景、内容的复杂性和先驱们的探索精神，以及结论的得出 和影响等各个方面，这样做肯定会对实验的意义获得更充分的认识。亚里士多德则断言，物体只有在一个不断作用者的直接接触下，才能保持运动，一旦推动者 停止作用，或两者脱离接触，物体就会停止下来。这种说法似乎与经验没冇矛盾，但是显然 经不起推

11、敲。例如，对于抛射体的运动，亚里士多徳解释说，z所以抛射体在出手后还会继 续运动，是山于手或机械在作抛物动作中同时也使靠近物体的空气运动，而空气再带动物体 运动。但是，在亚里上多徳的思辨屮，不可避免地会出现漏洞。人们要问，空气对物体的运 动也会有阻力作用，为什么有的吋候推力大于阻力，有的时候阻力乂会大于推力？ 6世纪希 腊冇一位学者对亚里士多德的运动学说持批判态度，他叫菲洛彭诺斯(j.philoponus)o他认为 抛体木身具有某种动力，推动物体前进，在到耗尽才趋于停止，这种看法后来发展为“冲力 理论”。代表人物是英国牛津大学的威廉(william of ock-ham,13001350),他

12、认为，运动 并不需要外来推力，一旦运动起来就耍永远运动下去。他写道：“运动并不能完全与永恒的 物体区分开，因为当可以用较少的实体时,就无需用更多的实体。没有这一额外的东西， 就可以对各种运动给予澄清。”例如，关于抛射体运动，他解释为：“当运动物体离开投掷 者后，是物体靠口己运动，而不是被任何在它里面或与z有关的动力所推动，因为无法区分 运动者和被推动者。”他举磁针吸铁为例，说明要使铁运动并不一定直接接触，并还进一 步设想，这种情况在真空小也能实现，可见亚里士多徳认为真空不存在的说法是可疑的。当 然，威廉的说法并不等于惯性原理，但是却是走向惯性原理的重要步骤。因为，如果运动不 需要原因，一旦发生

13、就要永远持续，亚里士多徳的推动说就要从根木上受到动摇。巴黎大学校长布里丹(fburidan,13001358)也是批判亚里丄多德运动学说的先行者。他 反对空气是抛射体运动的推动者，亚里士多德对抛射体的解释是：在抛射体的后而形成了虚 空区域，由于自然界惧怕虚空，于是就有空气立即填补了这一虚空区域，因而形成了推力。 布里丹反问道：“空气乂是受什么东西的推动呢？显然还有别的物体在起作用，这样一-连串 的推动根源何在呢？他又举出磨盘和陀螺为例，它们转动吋无前后z分。两支标枪：一支两 头尖，另一支一头尖一头钝，然而投掷时并不见得前者慢后者快。水手在船上，只感到迎面 吹來的风，而不感到背后推动的风。这些都

14、说明：“空气持续推动抛射体”的说法不符合事 实。于是他提岀“冲力理论”，认为：“推动者在推动一物体运动时，便对它施加某种冲力或 某种动力。”布里川的工作冇两个人继续进行，一位是saxony的阿尔伯特(albert,13161390), 另一位是奥里斯姆(nicholas oresme,13201382),他是布里丹的学生。他们发展了冲力理 论，阿尔伯特运用冲力來说明落体的加速运动，认为速度越大，冲力也越大，他写道：“根 据这个(理论)可以这样说，如果把地球钻通，一重物落入洞里，直趋地心，当落体的重心 正处于地心时，物体将继续向前运动(越过地心)，因为冲力并未耗尽。而当冲力耗尽后， 物体将回落。

15、于是将围绕地心振荡，直到冲力不再存在，才重又静止下来。”请注意，阿尔 们特这个例子后来伽利略在两大世界体系屮也冇讨论，可见布里丹、阿尔伯特、奥里斯 姆等人的早期工作为伽利略和牛顿开辟了道路。不论是伽利略，还是牛顿，都在自己的著作 中留下了冲力理论的烙印。笛卡儿的工作1644年，笛卡儿(rene descartes, 15961650)在哲学原理一书中弥补了伽利略的不 足。他明确地指出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，并且还 特地声明，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动，而只保持在直线上运动，他表述 成两条定律：(一) 每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，肓到与其它微粒相碰被迫改变这一状态为 止；(二) 所有的运动，其本身都是沿直线的。他在给友人麦森(mersenne)的信(1629年)中就 己断言：“我假设，运动一旦加于物体，就会永远保持下去，除非受到某种外來手段的破坏。 换言之，某-物体在真空屮开始运动，将永远运动并保持同