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人类自有思想以来，就想读这本奇妙的侦探故事。但是直到300多年之前，科学家们才开始理解这个故事的语言。从伽利略和牛顿的时代开始，阅读就进行得快多了。侦查技术及搜寻和跟踪线索的系统性方法都得到了发展。大自然的一些谜题已经被解开，尽管进一步的研究表明，大部分的解决方案都是暂时和肤浅的。
有一个基本问题，几千年来被它的复杂性所遮蔽，这个问题就是运动。我们在自然界中观察到的一切运动其实都很复杂，如石头被抛到空中，轮船在海上航行，小推车在路上运动等。要想理解这些现象，我们最好从最简单的情况着手，然后慢慢地向更复杂的情况前进。设想有一个处于静止状态的物体，它没有任何运动。为了改变这个物体的位置，我们需要对其施加一些作用，如推它或提起它，或者让马、蒸汽机等其他物体作用于它。我们的直观看法是，运动是与推动、提起、拉动的作用相关的。这种不断重复的经验让我们进一步冒险地声明，如果我们想让物体移动得更快，我们就必须推得更卖力。于是我们很自然地总结出来，施加在物体上的作用越强，物体的速度就越大。一辆四匹马拉的马车比两匹马拉的马车走得快。因此，直觉告诉我们，速度本质上是和外界作用相关的。
这和侦探小说的读者的情况很相似：一条假的线索搅乱了故事，并推迟了解决方案。由直觉决定的推理方法是错误的，并且导致错误的运动观念持续了几个世纪。亚里士多德在整个欧洲的伟大权威也许是人们长期相信这种直觉观念的主要原因。在2000多年来被认为是他所写的 《力学》 中，我们读到：
当推动物体的力不再推它的时候，移动的物体就会停止。
伽利略的发现及他所运用的科学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开端。这一发现告诉我们，根据直接观察得到的直观结论并不总是可信的，因为它们有时会把我们引到错误的线索上去。
可是，直觉在哪里出错了呢？如果说由四匹马拉的马车比仅由两匹马拉的马车跑得快，难道可能是错的吗？
让我们更仔细地检验一下运动的基本情况，首先从简单的日常经验开始，这些经验是人类自文明开始以来就熟悉的，并且在艰难的生存斗争中获得的。
设想有一个人推着一个手推车在平坦的路上行走，然后突然停止推动。这个小车会继续移动一小段距离，然后停下来。于是我们问：怎样才能增加这段距离呢？有很多方法可以实现，如在车轮上抹油，把路修得很平滑等。车轮转得越容易，路修得越平滑，小车就会移动得越远。那么，在车轮上抹油和把路修平起了什么作用呢？只有一个作用，那就是把外界的影响减小。车轮里及车轮和路之间的摩擦力减小了。这已然是对可观测证据的一种理论解释，这个解释事实上是随意的。再向前迈一大步，我们就会得到正确的线索。想象道路是绝对光滑的，车轮也完全没有摩擦。那么就没有东西阻止小车，它将永远运动下去。这个结论只有在理想化的实验中才能达成，而这个实验实际上是无法实现的，因为我们不可能消除所有的外界影响。这个理想化的实验揭示了真正构成运动力学基础的线索。
比较一下对待问题的两种方法，我们可以说，直观的想法是：施加的作用越大，速度就越大。因此，速度表明了外力是否作用于物体。而伽利略发现的新线索是：如果一个物体既没有被推、拉，也没有受到任何其他方式的影响，或者更简单地说，如果没有外力作用在物体上，它将做匀速运动，也就是说，总是以相同的速度沿着一条直线运动。因此，速度本身并不能表明外力是否作用于物体。伽利略的结论才是正确的那个，一代之后被牛顿用公式表示，被称为“惯性定律”。这通常是我们在学校里熟记的关于物理学的第一个知识，有的人可能还记得：
任何一个物体，只要不受外力的影响，就会永远处于静止或匀速直线运动状态。
我们已经看到，这个惯性定律不能直接从实验中得到，只能通过与观察一致的推断性思考。理想化的实验永远不能被真正执行，尽管它会让我们对真实的实验有深刻的理解。
从我们周围世界的各种复杂运动中，我们选择匀速运动作为第一个例子。这是最简单的情况，因为没有外力的作用。然而，匀速运动永远不可能实现。从塔上抛出的石头及沿着马路推动的小车永远不可能绝对匀速地运动，因为我们无法消除外力的影响。
在一个好的侦探故事中，最明显的线索往往引向错误的猜想上。同样地，在我们理解大自然的定律的尝试中，我们发现最明显最直观的解释常常是错误的那个。
人类的思想创造出一个变幻无穷的宇宙图景。伽利略的贡献在于颠覆直观的观念，并用新的观点取而代之。这就是伽利略这个发现的重要意义。
但是很快，关于运动的进一步问题出现了。如果速度不能表征作用在物体上的外力，那么什么才是呢？这个基本问题的答案是由伽利略发现的，而牛顿又使其更加简化，它是我们研究中的进一步线索。
为了找到正确的答案，我们必须更深入地考虑在绝对光滑道路上的小车。在我们的理想化实验中，运动的匀速性是由于没有任何外力的影响。现在我们设想这个匀速运动的小车在其运动的方向上被推了一下。这时会发生什么呢？很明显，小车的速度会加快。同样明显地，朝与之运动相反的方向推一下，它的速度会减慢。在第一种情况下，小车由于推动而加速；在第二种情况下，小车由于推动而减速。我们可以立刻总结出来：外力的作用改变了速度。因此，速度本身不是推或者拉的结果，速度的改变才是它们的结果。力究竟使速度增加还是减少，取决于它是作用在运动的方向上还是与运动相反的方向上。伽利略很清楚这一点，并在他的 《关于两门新科学的对谈》 中写道：
……一个运动的物体一旦获得某个速度，只要不受到外界的加速或减速作用，就会一直保持不变——这种情况只发生在水平平面上。向下的斜面会导致加速，而向上的斜面会导致减速。由此可见，只有沿着水平面的运动才是永无休止的。因为，如果速度是均匀的，它不会减弱或放慢，更不会被消灭。
沿着这条正确的线索，我们对运动问题有了更深刻的理解。力与速度变化之间的联系（而不是根据直觉思考得来的力与速度之间的联系），是牛顿提出的经典力学的基础。
在这里，我们用到了在经典力学中扮演重要角色的两个概念：力和速度的变化。在科学的进一步发展中，这两个概念都得到了延伸和推广。因此，它们必须被检查得更仔细些。
力是什么？直观上说，我们可以从这个词感受到它的含义。这个概念来源于推、抛或者拉所花的力气——从这些作用伴随着的肌肉感觉而来。但是广泛意义上的力远远不止这些简单的例子。即使不去想象一匹马拉着马车，我们也能感受到力的存在！我们谈论太阳与地球、地球与月球之间的吸引力，还有那些产生潮汐的力。我们谈论地球迫使我们和我们周围的所有物体都保持在它影响范围内的力，还有风在海上掀起浪花的力，或者舞动树叶的力。无论何时何地我们观察到速度的改变，就应该有一个广泛意义上的外力对其负责。牛顿在他的 《自然哲学的数学原理》 中写道：
力是施加在物体上的一种作用，使其改变静止或者匀速直线运动的状态。
这个力仅存在于作用中，当作用终止时，它不会停留在物体上。因为物体仅凭它的惯性，就可以保持它所获得的每一个新状态。作用力有不同的来源，如击打、压力和向心力。
如果一块石头从塔顶上坠落下来，它的运动就不是匀速的；速度随着石头的下落而增加。我们可以得出结论：外力作用在运动的方向上。或者换句话说：地球吸引着石头。让我们再举个例子。把一块石头向上竖直抛出，会是什么情况呢？它的速度不断地减小，直到石头到达最高点并开始下落。速度的减小与下落物体的加速都是由相同的力造成的。在一种情况中，力作用在运动的方向上；在另一种情况中，力作用在与运动相反的方向上。力是一样的，但根据石头是下落还是向上抛出，会造成加速或者减速的效果。