亚里士多德、伽利略、牛顿的千年接力

作者: 孙正凡

来源: 果壳少年

发布日期: 2018-03-22

本文讲述了从亚里士多德到伽利略再到牛顿,科学家们如何逐步理解并定义运动的过程,特别是对力的认识从错误到纠正的历史。文章还介绍了惯性定律的重要性及其在日常生活中的应用,如磁悬浮列车和宇航员在太空中的活动。

我们周围的一切都在变化和运动。怎么去定义、描述和量化这些运动,曾经让很多哲学家和科学家们费尽了心思,也无意中掉进了许多的坑,用了两千多年时间才爬出来。

两千多年前,以亚里士多德为代表的古希腊哲学家们看到,天界的运动周而复始,具有近乎完美的周期性;但在我们居住的地方,运动趋势却相当复杂而混乱。出于对圆周的喜爱,他们认为天上的运动是完美的圆周运动,不需要外力的作用。而在地球上,物质的分布是不完美的。

他们是这样解释重力的:土和水的“自然本性”位置在下方,所以重的东西总是往下掉,气和火的“自然本性”是往上方走,所以轻的东西总往上飘。那么水平方向呢?亚里士多德认为,如果物体要运动起来,就需要受到力的作用,一旦失去力的作用,物体就静止下来了——也就是说,力是维持物体运动的原因。

亚里士多德这个想法似乎很符合生活常识。比如,无论走路还是骑自行车都需要用力,同时,生活中的现象被分为动和静两种状态,动和力相关联。如今我们知道,亚里士多德犯了一个错误,他忽视了一些力的作用,比如无处不在的摩擦力(在天体运动中就不存在摩擦力了)、物体之间的引力。对力的分析是不完全的,因而对运动的理解也不够准确。

17世纪,伽利略发现了摩擦力的存在。小球在水平面上运动,水平表面越光滑,小球滚动得就越远。伽利略由此获得推断,如果没有摩擦阻力,球将会永远滚下去,并且保持速度不变;也就是说,亚里士多德错了,力不是维持物体运动的原因,力是使物体运动状态改变的原因。

牛顿进一步考虑了伽利略的发现,总结成了牛顿第一运动定律,也就是惯性定律,提出了运动的惯性参考系:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。也就是说,任何物体总是倾向于保持静止或者匀速直线运动状态,这才是我们今天说的“惯性”。

有人认为,惯性定律是牛顿第二运动定律中加速度等于0的特殊情况,因此惯性定律是多余的,其实并非如此。惯性定律的重要性,在于它纠正了历史上的错误“常识”,建立起对运动和力的关系的科学认识。牛顿用惯性定律建立了惯性参考系,在这类参考系中,才可以应用第二、第三运动定律。所以第一定律可以说是牛顿第二、第三运动定律得以存在的前提。

生活中的惯性无处不在。紧急刹车的时候,汽车迅速停下了,但是乘客的身体却由于要保持高速运动而向前倾;所以需要让安全带的力克服身体保持高速前行的惯性。

亚里士多德忽视了摩擦力,如果真的可以取消摩擦力,也就可以利用惯性了。磁悬浮列车用磁场把列车抬起来,去除了地面和列车之间的摩擦力,因此可以用较少的能量让列车在惯性作用下保持高速运行。有科学家设想,如果搭建真空隧道,连空气阻力也取消了,就可以获得更高的速度。

宇航员在舱外活动时,必须拴上保险绳索。因为真空环境里没有阻力,一旦脱离飞船,哪怕宇航员速度很低,也会由于惯性一直向宇宙深处飘走。这正是科幻电影《地心引力》描绘的悲剧。

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