从实验走向科学发展史：各种学说与推进

1.伽利略的工作

1609年，伽利略的对接斜面实验：当小球从某一高度的光滑斜面（对接斜面）滚下时，不论对接斜面坡度如何，总会滚到相同的高度上。他认为，只是因为摩擦力，球才没能达到原来的高度。他设想若将对接斜面放平，球永远不能达到同一高度，即球要永远滚下去。伽利略把以上结论概括为：“只要除掉使物体加速和减速的外部原因，运动物体必将严格地保持它一旦获得的速度，而这种条件仅在水平面上可以得到，因为在向下倾斜的平面上已经存在加速的原因，而在向上倾斜的平面上已经存在减速的原因。由此得知，沿水平面的运动是永恒的。如果速度是均匀的，就不可能减小或变慢，更不可能消失掉。”这一段陈述连同以上所引述的论证，常常被当成是伽利略首先发现惯性定律的证据。

但是，伽利略所说的速度不变的永恒运动，是指在地球水平面上的圆周运动。他说，“一个既不向上也不向下的表面”即水平面，“它的各部分是和地心等距离的”。他还明确主张：“只有静止和圆周运动适用于维持宇宙秩序”“直线运动天然不能持久”以及“直线运动的本质不是永恒的”“运动物体做直线运动是不可能的，因为直线运动，无论向上或向下……都受圆周运动的限制”。即使在伽利略晚年出版的《两种新科学的对话》中，也把匀加速运动叫作“自然的加速运动”，而且把产生加速度或者减速度的原因归之于靠近或者离开地球中心的倾向，并没有形成关于物体间相互作用的清晰概念。这表明，伽利略对于运动的研究的还没有完全摆脱亚里士多德关于自然运动和强迫运动的影响。因此，他不可能提出一条真正彻底的惯性定律来。

2.托里拆利等人的认识

伽利略的学生们受旧观念的束缚就比伽利略小得多，他们在讨论匀速直线运动的基础上，把重量作为外部原因来研究，认为如果没有重力作用，抛射体就做匀速直线运动。这里显然已不是地球的水平面了。其中最值得注意的是托里拆利，他突破了伽利略惯性定律的局限，将它作为一般规律来使用，论述了具有任意方向的初速度的抛射体的运动。他还超过当时一般水平，正确地掌握了力学的抽象性质。他强调指出，力学是以数学角度来处理自然现象的，这种以数学方法来加以处理的理想现象才是接近现实现象的最好方法。正是他自觉地运用了数学，才构思出一般化了的“惯性定律”。但是，这还不能说惯性定律已被确立了，因为托里拆利虽然在论述中实际上已经应用了惯性定律，却没有对它所具有的基本意义进行归纳、总结，而正是在这一点上，才能使它成为占据整个力学核心地位的定律。

3.开普勒的贡献

开普勒在《行星运动的原因》中认为惯性是一种与重量类似的东西，天体没有它就不会有一种力量使它们从所在的地方运动；他又认为凡物质必须有惯性，只有惯性才能说明运动的差异。他在书中写道：“惯性或者对运动的反抗是物质的特性，它越强，在既定的体积中的物质之量就越大。”开普勒的惯性概念显然来自伽利略，但是比伽利略讲得更明确。如伽利略虽然也通过运动阻抗力的大小认识到惯性，但是从物质质量即惯性质量去理解物质的惯性却是开普勒的首创。(www.xing528.com)

4.笛卡儿的论述

1644年，笛卡儿出版了他的重要著作《哲学原理》。关于惯性定律，他是这样描述的：“每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他粒子相碰被迫改变这一状态为止”“所有的运动本身都是沿直线的”。1629年，他在给友人麦森的信中说：“运动一旦加于物体，就会永远保持下去，除非受到某种外来手段的破坏。换言之，某一物体在真空中开始运动，将永远运动并保持同一速度。”一般认为笛卡儿的上述文字是近代惯性定律的最早的正确表述。但是，进一步考察笛卡儿对上述论述的阐述时，可以看到其唯一的依据是对上帝的信念。这种建立在宗教基础上的论述，很难被认为是一种科学的论证。

5.伽桑狄的表述

真正最早提出惯性定律科学表述的是笛卡儿的同时代人、法国科学家伽桑狄。他在1641年写给一位朋友的信中明确写道：“设想把石块投入虚空之中，在那里没有东西吸引它，也没有东西使它返回或者对它有丝毫的阻碍，那么它的运动将是均匀的和永恒的。任一石块将由自身的运动而沿着原先投入的方向无止境地的向前运动。”这里清楚地描述了物体没有受到任何相互作用的条件，从而做出了自由运动的科学抽象。而且这一结论的取得不依赖于什么“自然运动”，也不仰仗上帝的旨意，免除了伽利略和笛卡儿有关论述的局限性。研究表明，伽桑狄的这些工作对包括波义耳和牛顿在内的一批学者，曾产生过不可磨灭的影响。

6.牛顿的精练和提高

牛顿大约从1665年开始将注意力从惯性运动的阐述转向研究惯性运动的本质，提出惯性是由物体内在的属性——质量决定的。质量概念的建立，才使人们有可能深刻地科学地理解和认识惯性的含义，才能找出它与其他运动定律的内在有机联系，才能作为运动第一定律提出来。牛顿认为，每一个物体继续保持它的静止或直线运动状态，除非被加予在它上面的力迫使改变了这个状态。必须指出，在《原理》写作之前的手稿中，牛顿将匀速运动分为直线和圆周的两种，后来在《原理》中删去了圆周运动，可见这里也经历了一个认识的转变。