第一个线索

自从人类具有思维能力以来，阅读这个伟大侦探故事的尝试就已经开始了。然而，在300多年以前，科学家们才开始理解了这个故事的语言。从那时开始，也就是从伽利略 和牛顿 的时代开始，阅读的速度加快了。人们开发了研究的技巧以及寻找和追踪线索的系统方法。人们已经理解了一些自然的奥秘，尽管后来的研究发现，其中一些解释只是暂时的，过于肤浅。

运动是一个最基本的问题，但由于其复杂性，几千年来，其本质一直笼罩在迷雾之中。无论是一块被抛入空中的石头，还是一条在水中航行的船，或者是一辆被人沿街推动的手推车，所有这些在自然中观察到的运动实际上都非常复杂。为了理解这些现象，明智的方法是从最简单的事例开始，然后逐步推广到较为复杂的情况。设想有一个完全不运动的静止物体，为了改变这个物体的位置，我们必须在它身上施加一定的力，推动它或者举起它，或者让别的物体，诸如马匹或者蒸汽机之类的东西对它产生作用。我们的直觉认为，运动是与推、举或者拉的行为有关的。经过多次尝试之后，我们或许会大胆地进一步推测，如果想让这个物体运动得更快，我们就得更使劲地推它。我们似乎可以很自然地得出结论：我们对这个物体施加的作用越剧烈，它的速度就越快。四匹马拉的车比只有两匹马拉的车跑得更快。因此，直觉告诉我们，速度与运动有着极为重要的关系。

侦探小说读者熟悉的一个事实是，一条不正确的线索会让故事扑朔迷离，推迟破案过程。千百年来，根据直觉而来的推理方法是不可靠的，它导致了有关运动的错误想法。亚里士多德 的思想在整个欧洲具有极大的权威，这很可能是人们长期相信直觉理念的主要原因。《论力学》（ Mechanics ）是一部2000多年前的著作，人们认为是亚里士多德所作，我们可以从中读到：

物体的运动来自推动它的力。当力不再继续推动它时，它的运动就会停止。

伽利略发现并使用了科学的推理方法，这是人类思想史上最重要的成就之一，标志着物理学的真正开始。这一发现告诉我们，以直接观察为基础的直觉结论并不总是可信的，因为它们有时会导致错误的线索。

但我们的直觉在什么地方出了错呢？四匹马拉的车比两匹马拉的车跑得快，这种说法有问题吗？

让我们更仔细地核查一些运动的基本事实，从人类自文明开始以来便在生存斗争中熟悉的简单日常经验开始。

假设有人在一条水平道路上推着一辆手推车行走，突然他不再推动车子了。在停止之前，那辆手推车还会向前运动一小段距离。我们问：我们如何增加这段距离？可以有多种方法，比如给轮子上油、让道路更平整等。车轮越容易转动，道路越光滑，手推车向前运动的距离就越长。但给轮子上油和平整道路到底起了什么作用呢？只有一个作用，就是尽量减少外力对车子的影响，也就是降低车轮以及车轮与地面之间所谓“摩擦”的作用。这已经是对于可观察的证据的一种理论解释，但这种解释实际上是随心所欲的。只要再向前迈出重要的一步，我们就将得到正确的线索。假设有一条绝对光滑的道路，而且轮子也完全不受摩擦的困扰，那么就不会有任何东西阻碍手推车，所以它就可以永远运动下去。只有通过一个理想化的实验，才能得到这样的结果。我们永远无法进行这种实验，因为我们不能消除所有的外部影响。但这个理想化的实验告诉我们一个线索，它构成了运动力学的真正基础。

比较一下处理这一问题的两种方法，我们可以说：直觉的想法是，作用力越大，速度越快。于是，速度就表示是否有外力作用在物体身上。伽利略发现的新线索是：如果一个物体没有被推、拉，或者受到任何其他形式的力的作用，或者更简单地说，如果一个物体没有受到外力作用，则它将做匀速直线运动，也就是说，总是沿着一条直线路径，以相等的速度运动。因此，速度并不能说明在物体上是否有外力作用。伽利略的结论是正确的，是在历经一代人的时间之后，由牛顿以惯性定律的形式确立的。这通常是我们在学校里学习物理学中背下的第一个定律，一些人到现在还记忆犹新：

在不受令其改变状态的外力作用的情况下，任何物体将保持静止状态，或者沿直线路径做匀速运动。

如前所述，我们无法通过实验直接得到这一惯性定律，只能通过推测性思考，得出符合观察的结论。理想化的实验永远无法实施，但它却能让我们深刻地理解实际的实验。

我们周围的世界中有各种复杂的运动，我们从中选择的第一个例子是匀速直线运动。这是最简单的运动，因为物体不受外力作用。然而，匀速直线运动永远无法实现；无论是从一座塔上扔下的石头，还是在一条路径上推动的车子，它们都永远无法绝对匀速运动，因为我们无法消除外力的影响。

在优秀的侦探故事中，最明显的线索经常让人们怀疑无辜之人。与此类似，在我们试图理解自然定律时，我们也发现，最明显的直觉解释往往是错误的。

人类思维创造了一个永远变化的宇宙图像。伽利略的贡献是摧毁了直觉的观点，并以新的观点取而代之。这就是伽利略的发现的重大意义。

但立即出现了有关运动的一个新问题。如果速度不是外力作用在物体上的标志，那么什么才是呢？对于这个基本问题的答案仍然是由伽利略做出，并由牛顿更精确地阐明的，它形成了我们研究的新线索。

为了找到正确的答案，我们必须更加深入地思考在绝对光滑的路径上运动的车子。在理想化实验中，匀速直线运动是通过不受外力作用实现的。现在让我们想象，正在做匀速直线运动的车子受到了一个在它的运动方向上的推动力。现在会发生什么情况？它的速度显然加快了。同样明显的是，一个与运动方向相反的力会减慢它的速度。在第一种情况下，车子因为受到推动而加速，而在第二种情况下则减速了，或者说慢了下来。我们立刻可以得出一个结论：外力的作用改变了速度。所以，推或者拉造成的后果并不是速度本身，而是它的变化。顺着运动方向作用的力将让物体加速，逆着运动方向作用的力将让物体减速。伽利略清楚地看到了这一点，并在他的《两种新科学》（ Two New Sciences ）中这样写道：

……一个运动的物体得到了某个速度，则在不存在让它加速或者减速的外部原因的情况下，它将始终维持这个速度，这种条件只在水平表面上可以得到；因为在向下倾斜的情况下，表面上已经存在着引起加速的外力，而在斜坡向上的情况下则有让它放慢的阻力。由此，沿着一个水平表面的运动是永恒不变的；因为，如果速度是均匀的，它就不会降低或者放缓，更别说消失了。

通过追踪正确的线索，我们对于运动问题有了更深刻的理解。牛顿建立经典力学的基础是力与速度变化之间的联系，而不是像我们直觉设想的那样，是力与速度之间的关系。

我们一直在使用下面两个在经典力学中具有重大作用的概念：力和速度的变化。在科学的进一步发展中，它们都得到了补充和扩展。因此，我们必须更加仔细地考察这两个概念。

什么是力？我们能从直觉上感受到这个术语的意义。这个概念来自我们做推、扔、拉这类动作时的感觉，每次这样做时肌肉会具有紧张感，但它的普遍化远远超过了这些简单的例子。即使在没有出现马拉车的图像时，我们也同样可以考虑力。我们谈论太阳和地球之间，地球和月球之间的吸引力，以及那些造成潮汐的力。我们谈论地球迫使我们和我们周围的所有物体限制在它的作用范围内的力，还有风吹过海面造成浪涛的力，以及吹落树叶的力。一般来说，无论何时何地，每当观察到速度变化时，我们都可以在广泛的意义上将其归因于某个外力。牛顿在他的《自然哲学的数学原理》（ Principia ）中写道：

一个强制力就是在某个物体身上施加的一个作用，它将改变这个物体的状态，无论这个物体是静止的还是处于匀速直线运动中。

这个力仅仅存在于作用中；当作用结束时，这个力便消失了。由于惯性，物体将保留它所获得的每一种新状态。强制力有不同的来源，如碰撞、压力、向心力。

如果一块石头从一座塔的塔顶落下来，它的运动绝不会是匀速的；石头的速度将在下落过程中增加。我们得出结论：有外力作用在它的运动方向上。或者换言之：地球在吸引这块石头。让我们另举一例，当我们垂直向上扔一块石头时发生了什么？石头的速度一直在下降，直到它到达最高点并开始下落为止。让速度下降的力和让下落物体加速的力是同一个力。在一种情况下，这个力的作用方向与运动方向相同，而在另一种情况下，它的作用方向与运动方向相反。力是相同的，但它在石头下落时对其加速，而在石头被向上扔时令其减速。 ZFe19mwXRvPY3dtFVgkdZ2v4SHLGWZEJnRO9e30pt7Oj2j/hfnp+xL8Ut5J27sdO