（这是我在5.31《上海田林科学沙龙十周年庆》上的发言，略有补充） 

给牛顿第一定律打个补丁

引言

有关惯性的问题令人困惑：惯性的本质是什么？惯性运动的方式为什么必须是静止或匀速直线的？为什么找不到一个真正的惯性系？等等，这些问题至今仍是个谜。

那么，这些悬疑问题是否是因为惯性定律本身的瑕疵所造成的呢？我发现，只要给牛顿第一定律打个补丁，这些问题似乎都迎刃而解。

一、牛顿第一定律的渊源

对于惯性律的探讨，从古希腊中期至牛顿就有2100多年的历史，但是，对牛顿产生直接影响的，还是伽利略和笛卡尔。

伽利略通过实验发现，当一个球沿斜面向下滚时，其速度增大，而向上滚时，其速度减小，由此，伽利略推断，当球沿水平面滚动时，其速度应不增不减，如果没有各种阻力的影响，球将永远滚动下去。在另一个实验中，伽利略相对地安置两个斜面，当球从一个斜面的顶端滚下后，即沿对面的斜面向上滚，达到与原来差不多的高度。他推论，只是因为摩擦力，球才没能严格地达到原来的高度。然后，他减少后一斜面的斜率，球仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。斜率愈小，球达到同一高度需要滚得愈远。于是他推断：若将后一斜面放平，显然球要永远滚下去。^[1]

通过这两个实验及推断，“1638年，伽利略在《两门新科学的对话》中把上述的斜面实验的发现概括为如下的话：‘物体沿水平面运动，没有受到任何阻力时，那么……它的运动是均匀和永无止境的，只要平面在空间中是无限的话。’‘任何物体都不能自己变换运动状态。’”^[2] 这就是伽利略发现的惯性原理。显然，伽利略的惯性运动是沿水平线的，也就是沿地球大圆的圆弧！

科学界公认，“伽利略是科学史上第一个用严格的科学论证提出惯性率的科学家”^[3]

随后，笛卡尔也提出了自己的惯性率，他的惯性运动却是沿直线的，不过，他“完全是从哲学的角度考虑问题，把这一切都归因于上帝的安排。”^[4]

牛顿面对伽利略和笛卡尔不一致的惯性运动方式，出现过犹豫，但最终，“牛顿改变了伽利略提出的‘物体会沿着水平方向永不停止地一直运动下去’的惯性运动的表述，明确提出惯性的运动是直线运动而不是水平运动”。^[5] 然而，牛顿没有给出任何理由。

二、惯性运动究竟应该沿水平线还是沿直线？

我认为，惯性运动应该沿水平线，而不是沿直线，理由如下：

首先，伽利略的斜面实验简明、直观，其推理方法周密、合乎逻辑，爱因斯坦对此给予极高的评价：“伽利略的发现以及他所用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端。”^[6]；

其次，物理学界普遍认为，牛顿的“惯性定律是不能直接用实验严格地验证的”，^[6] 这就使得牛顿第一定律的可靠性，远远比不上伽利略惯性原理；

再次，也是最关键的，在伽利略的斜面实验中，匀速的小球如果不沿水平线，而沿直线，那么，小球将脱离水平面，其高度将越来越高，它的势能就越来越大，这必然违反机械能守恒定律！

可见，牛顿最终选择了直线，显然是个错误。

那么，为什么有毛病的第一定律不与实验相矛盾呢？这是因为地球太大，局部范围内，直线与水平线的误差太小。

已经发现，第一定律无法适用于“大气或海洋环流那类牵涉空间范围较大、时间间隔较长的过程”。^[6]

三、给牛顿第一定律打个补丁

伽利略斜面实验中，当小球沿水平面滚动时，理想情况下，小球始终只受到地心引力及平板的支承力，这是一对铅直方向的平衡力。在地球引力场中，水平面就是一个等势面，物体在只受到平衡力的情况下，当然只能是保持静止，或沿等势面匀速运动！

因此，应给牛顿第一定律打个补丁，修正如下：相对于其所处的引力场，每个物体都保持其静止或按原方向并沿等势面作等速运动的状态，除非有外加力作用于它迫使它改变那个状态。

这里，外加力的含意是：任何物体都不可能不受力，物体保持惯性运动状态是因为其所受的合力为零；让原先所受的合力不再为零的力，就是外加力。

对牛顿第一定律进行这样的修正，其优越性是明显的： 

1）明确了惯性定律的特定参考系是物体所处的引力场。牛顿力学将不再是爱因斯坦所讥讽的那样，是“悬在半空中”、“筑在沙堆上”的学说了； 

2）修正后的牛顿第一定律不再与机械能守恒定律相抵触；

3）使得侧重于力的牛顿力学，和侧重于机械能的分析力学有了统一的起点。

根据这个修正后的第一定律可知：

惯性的本质是：每一个物体都具有在引力场中保持机械能守恒的固有特性；

惯性运动的方式是：静止或按原方向并沿等势面作等速运动。

请注意“惯性”与“惯性运动”的区别：

“惯性”是每一个物体的固有特性，而不论物体处于什么运动方向，什么运动状态；而“惯性运动”也可叫“自然运动”，其一定是静止，或沿水平方向的等速运动。

当锤头松动时，人们会把锤子竖起来，手柄朝下，用力在硬物上顿一下，这样便会使锤头套紧，这是利用了锤头的惯性，但锤头的运动并不是惯性运动。

还请特别注意，沿水平方向的等速运动也并不全是惯性运动！如航天器在150千米的飞行高度上，绕地球作等速圆周运动，其轨迹也是水平线，但这种运动不是惯性运动！因为在竖直方向它只受到一个地心引力，受力是不平衡的，为了恰好把地心引力化为其等速圆周运动的向心力，航天器必须以7.8千米/秒的线速度绕地运转，因此，航天器的运动是特定速度的运动，是受迫运动，当然不是惯性运动。而伽利略水平斜面上小球则始终受到一对平衡力的作用，其惯性运动速度可以是任意的，这才是真正的惯性运动。

四、如何解决此补丁与相对性原理的抵触

这个补丁一打，惯性定律就有了特定的参考系，这就意味着将与伽利略相对性原理发生严重抵触！那么，这个补丁还能打吗？

其实，伽利略本人并未提出过相对性原理，历史上，是惠更斯首先把伽利略大船上力学现象所体现出来的思想称为伽利略相对性原理。^[7]

爱因斯坦总结后的伽利略相对性原理是这样的：“假使力学定律在一个坐标系中是有效的，那么在任何其他相对于这个坐标系作匀速直线运动的坐标系中也是有效的。……假使有两个坐标系，相互作不等速运动，则力学定律不会在两者之中都是有效的。”^[8]

哈佛教科书《力学引论》评价：“在古典力学的发展过程中，相对性原理所起的作用不大；爱因斯坦却把它誉之为动力学的根本原理。” ^[9]

我发现，伽利略相对性原理并不成立：

首先，它不符合事实，请看下面四个坐标系：

1）力学定律在固定于地球的坐标系中是非常有效的，不然，伽利略、牛顿等科学家，怎么可能在地球实验室中，归纳、总结出力学定律呢？

2）爱因斯坦也承认：力学定律在关联于太阳的坐标系上，比在关联于地球的坐标系上更有效。

3）爱因斯坦认为，力学定律在自由落体的电梯上和在地面上一样有效。

4）关掉引擎且无自转的航天器上，宇航员们已经证明了力学定律非常有效。

够了，上述这四个坐标系，它们相互之间绝对不是在作匀速直线运动，但是力学定律在它们之中却都非常有效。

可见，坐标系本身如何运动，坐标系相互之间如何运动，都不是力学定律在其中是否有效的原因，而结论只能是：伽利略相对性原理严重不符合事实。

其次，牛顿用水桶实验强有力地证明了绝对运动的存在，牛顿的时空观就是绝对时空观，而伽利略相对性原理完全否定了绝对运动的存在，使得牛顿力学“对绝对运动的需要被一组相互平权的惯性系所替代”。^[10] 因此，伽利略相对性原理与牛顿的绝对时空观是根本对立的。

第三，原本第一定律与伽利略相对性原理是相互支撑的，因为在它们之中，静止状态与匀速直线运动状态都是等价的。但是，在第一定律被打了补丁之后，其静止状态与匀速直线运动状态不再具有等价性，这样伽利略相对性原理就失去了修正后的第一定律的支撑。

基于上述三条理由，伽利略相对性原理不成立！

五、惯性系概念应该被废除

至于惯性系这个概念，牛顿本人从来就没有提出过，也从来没有采用过，却几乎正确地解决了从地面物体到天体的所有运动问题。

由于牛顿那个时代，人们都不知道居然会有引力场这种无影无踪的物质，牛顿当然无法给出第一定律的参考系。有些物理学家捕风捉影，称绝对空间就是牛顿定律的参考系，然而，谁也无法依据绝对空间确立什么参考系。于是，在马赫批判牛顿的绝对空间之后两年，“德国物理学家朗奇（L.Lange）在1885年发表的《论伽利略惯性律的科学结构》一书中，从物理概念的基础寻找消除绝对空间概念的方法。这个方法是用惯性系取代绝对空间，将牛顿力学体系建立在惯性系的基础上。”^[11] 然而，爱因斯坦指出惯性系概念是循环论证，^[12] 人们至今也确实无法找到真正的惯性系。

打了补丁之后，牛顿第一定律就有了特定的参考系，惯性系概念显然就是个错误。近代力学中的混乱，几乎都与“一组相互平权的惯性系”有关。

结束语

爱因斯坦告诫我们：“常识是十八岁以前敷设在思想上的一层偏见”，“为了科学，就必须反反复复批判基本概念。”

牛顿第一定律、伽利略相对性原理、惯性系概念，难道不就是这样的常识吗？

参考文献

[1] 赵凯华、罗蔚茵，力学（第二版），高等教育出版社，2004，P41～43

[2] 林德宏，科学思想史，江苏科学技术出版社，2004,P87

[3] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想，湖南教育出版社，1989，P140

[4] 郭奕玲、沈慧君，物理学史（第2版），清华大学出版社，2009，P12

[5] 朱鋐雄，物理学思想概论，清华大学出版社，2009，P17

[6] 同[1]

[7] 郑永令 等，力学（第二版），高等教育出版社，2002，P79

[8] A.爱因斯坦，物理学的进化，上海科学技术出版社，1979，P114

[9] D.KLEPPNER 等，力学引论，人民教育出版社，宁远源 等译，1980，P541

[10] 同[7]，P455

[11] 同[3]，P378

[12] 同[8]，P154～155

                                                上海田林科学沙龙  费邦镜  2015/5/26

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