牛顿第一定律的认识
牛顿第一定律的认识
[摘要]本文澄清了对牛顿第一定律的一些模糊认识，指出了它在牛顿运动定律中的地位和作用。
[关键词]牛顿第一定律 力 惯性系
对牛顿第一定律人们往往有这样一种错误的认识，认为它是当物体加速度为零时牛顿第二定律的一种特例，似乎这是很显然的事。
但是，倘若如此的话，牛顿为何还将第一定律排列在三定律之首!这样岂不背弃了他总结出的“自然喜欢简单”的推理法则。
这一问题的实质是第一定律在牛顿定律中的地位问题。
为此，需要从两方面进行分析：首先是牛顿运动定律结构的整体性，其次是它在这一整体中所具有的基础性地位。
一、牛顿第一定律的独立性
牛顿力学的公理体系―定律Ⅰ(惯性定律)：每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。
定律Ⅱ：运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向。
定律Ⅲ：每一个作用都有一个相等的反作用。
惯性定律的独立性之辩：许多物理学家认为，牛顿第一定律不具有独立性，是第二定律的一个特例。
或者说，当作用到物体上的合外力为零时，物体的速度不变化，就是匀速直线运动，也就是第一定律描述的运动状况。
另外一种观点：第一定律具有不可取代的地位和作用：作为惯性和力的原始定义，没有这个原始性定义，无法构建第二定律。
它是第二定律的基础，应该具有独立性.惯性定律的诞生：牛顿在“原理”中给出第一定律的名称，笛卡尔在1644年出版的《哲学原理》中，“如果物质处在运动之中，那么如果无其他原因的作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，既不停下，也不偏离原来的方向[1]”，更接近牛顿第一定律的描述。
伽利略在1632年出版的《关于两大世界体系的对话》和1638年出版的《关于力学和局部运动的`两门新科学的谈话和数学证明》，通过“斜面的理想实验”，“乘船的理想实验”描述了惯性定律。
二、牛顿第一定律揭示了物体运动的内在属性，奠定了三个定律作为-个统-整体的基础
牛顿第一定律的表述：任何物体都保持静止或沿一条直线做匀速运动的状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。
它指出了牛顿第一定律和两个力学基本概念相联系。
从表述上看，牛顿第一定律与惯性运动定律并无区别，都描述了物体所具有的惯性运动状态。
不受外力的物体可以具有任何速度，而且保持永恒不变。
这就否定了亚里士多德的速度依赖于力的论断。
而亚里斯多德的运动观，在伽利略前一直是居统治地位的。
所以惯性定律的建立，是对古代运动观实行变革的总结，并且成为研究动力学的出发点。
第一定律当然也具有这一意义。
但是，不能因此而将惯性定律与第一定律等量齐观。
惯性定律只是唯象的描述了惯性运动，而第一定律则揭示出惯性运动的本质。
牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，在运动基本定律表述之前，先列出若干个定义，包括对惯性作了定义，就是这一认识的体现。
他指出惯性是物体所固有的反抗运动状态变化的能力，正是物体的这一内在属性，维持了物体运动状态不变。
同时又提出，惯性是以质量来量度的，从而使质量具有了惯性质量的意义。
这一物理思想的引入，不仅使惯性定律由表及里的升华为第一定律，而且可以从打破惯性出发，进而研究物体运动状态的变化与外力之间的关系，以及物体间相互作用的关系。
既然物体运动状态的变化是由外部作用即由力而引起的，这就能将物体和力分离开来，从而使运动方程的建立成为可能。
所以第一定律是第二、三定律的基础，而惯性则是牛顿定律乃至力学的出发点。
三、第一定律确立了动力学定律生效的参照系――惯性系
牛顿第一定律的实质是：它给出了一个不受力或所受合力为零的物体或物体系，这个系统不存在运动状态的改变，即这个系统不存在加速度，我们知道物理学中所研究的问题都是相对的，即以一定的物体或物体系作参照物的，而牛顿第一定律就给出了这样一个没有加速度的参照物系─―惯性系，它才使我们对物理问题的研究和物理量的测量变的有意义。
当我们选定了由牛顿第一定律所给出的参照系─―惯性系，使物理量的测量才变成可能;牛顿第二、第三定律才变得有意义。
如牛顿第二定律给出的数学表示 ，它只有在相对惯性系─―一个没有加速度的参照系时， 才有确定的测量。
如果参照系不是惯性系，而存在加速度，则 的值 就将改变，那第二律就没有意义了，或者说不再成立了。
它从一个方面说明：牛顿第二定律只对没有加速度的参照系成立，即惯性系。
第三定律也是如此，有加速度的参照系，物体间的作用力和反作用力的大小就不再相等，即
分别是作用力和反作用力)，则第三定律也就不成立了。
同样，由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系，如动量定理 ，动量守恒定律 等也都只惯性系成立。
可见牛顿第一定律是不可缺少的，是完全独立的一条重要的力学定律。
所以可以看出牛顿第一定律，它和第二、第三定律构成了一个完整的理论体系，它是第二、第三定律的基石，是第二、第三定律成立的保证，而牛顿第二、第三定律只对由第一定律给出的惯性系才成立。
四、第一定律具有公理性
第一定律表述上的逻辑循环，是它的公理性的反映。
我们先分析一下第一定律自身存在的逻辑循环。
在物体没有受到外力时，物体运动的速度是恒定的。
可是怎么得知物体受没受到外力作用呢? 还得要看物体运动的速度是不是不变的。
二者互为前提，形成了条件和结论相互转换的命题。
如果再考虑到第一定律适用的条件，就另表述为：在惯性参照系中，不受外力的物体，将做恒速运动。
那么，惯性参照系又是怎样确定的呢?还要根据两条：①物体不受外力，②物体速度恒定。
可见这样的表述，不过是对惯性参照系所作定义的同义反复。
从这里我们看到：判断有无外力和物体运动速度的测定，以及参照系的确定，这三者之间形成了一种逻辑上的循环论证。
爱因斯坦就曾指出这是第一定律的弱点。
形成逻辑上缺陷的症结在于对物体受不受外力，和所选用的参照系是不是惯性系，这两件事的判据都是物体的速度是否恒定。
三者之中若有两个是能独立确定下来的，通过第一定律就能确定第三者。
然而离开运动定律，独立给出力和惯性系的定义，在牛顿力学里是没有的，能够独立测定的只是速度这一件事。
有人会想，物体受不受外力，完全可以从有无别的物体跟它作用来判定。
但是，这个判据已经隐含了一个前提，那就是首先承认是以惯性系做参照系的。
在非惯性系里，力的存在并不总是跟别的物体存在相联系;既便是在惯性系里，也不能完全就此断言。
例如场力，如果是已知的，那是可以检测到的;如若是一种尚未被认识的长程力，判据就失效了，还得要靠速度是否恒定来确定。
在宇宙飞船中，字航员做实验，是有可能遇上这种情形的。
为何摆脱不了这种循环呢?原因就在于第一定律所具有的公理性。
任何一门独立的科学，初建立时，当作出发点的命题和概念、定义，都是人们在长期实践中直接得来的。
又是通过间接实践反复证明了的、具有“自明性”。
因而表现在逻辑上无法严格定义，不需加以证明，也无法证明。
这些最初的命题和概念称之为公理或公设，是作为推理建立逻辑体系的前提。
欧几里德几何学就是这样结构的，如过两点只能引一条直线、整体大于部分等就是它的公理。
牛顿仿照欧几里德的方法，也是先提出定义和公理，作为建立力学逻辑体系的前提。
惯性和第一定律就是当作力学的出发点，所以它们在牛顿力学体系里具有公理一样的性质。
我们不可能借助力学范畴的定义、定律和方法对它加以论证，也不可能用直接的物理实验得到验证，它的正确性只能靠由它得出的大量推论，在实践中经受检验。
正是这种公理性，使它带上了先天的弱点。
这又使我们进一步看到它的基础性。
综上所述，说明第一定律在动力学基本定律中，具有基础性地位。
因而把第一定律只看作是第二定律的特例，进而认为可以取代第一定律的认识，不过是一种形式上本末倒置的理解，舍弃了第一定律与整体之间的逻辑结构关系和它的内在含意，从而也抹煞了它的独立性。
基础性确立了它的独立性，使它与二、三定律并列，一起构成了统-的运动定律。
[参考文献]
[1]伊萨克・牛顿.自然哲学之数学原理.陕西人民出版社.2001，1版，121.
[2]李艳平，申先甲.物理学史教程[M].北京：科学出版社.2003，2版，292.
[3]中国大百科全书，物理学，Ⅱ.中国大百科全书出版社.1987，1版1236.
[4]漆安慎，杜婵英.力学，上册.高等教育出版社，1997，1版222.
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