现行教科书定义：“牛顿第一定律指出：孤立质点静止或作匀速直线运动，这样的运动常称惯性运动。”^[15]

然而，根据近代物理学的开山鼻祖——伽利略所提出的惯性定律，“惯性运动”却并不是“沿直线”，而是“沿水平面”的！ （ 或者说，是“沿圆周”的！ ）

那么，究竟是伽利略错了？ 还是教科书错了？

 

 

伽利略提出的“惯性律”，是他研究亚里士多德的自由落体观念——物体愈重下落愈快——而附带取得的。

南京大学林德宏教授在《科学思想史》中指出：“1589年伽利略登上比萨斜塔，让10磅重和1磅重的两个球同时下落，由于下落速度很快，所以看起来两球是同时落地的。为了取得更精确的结果，他想‘冲淡重力’，让物体下落得慢一些。于是……他在长约11米的木板上刻上光滑的槽子，让不同重量的小球在同一高度的斜面上滚下，发现它们滚动的速度是相同的，这与斜面（交水平面的）夹角大小无关。……调整斜面夹角为90°时，小球的滚动就成了自由下落，于是，他通过斜面实验揭示了自由落体运动之谜。…… 斜面实验还使得伽利略发现了惯性原理。”^[16]

伽利略发现，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，于是他推断： 若无阻力，当球“沿水平面”滚动时，其速度应不增不减，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，并达到原来的高度，于是他推断： 若无阻力，当后一斜面安置成“水平”时，球将永远滚下去。

1638年，伽利略根据“斜面实验”，在《关于两门新科学的对谈》中提出：“任何一个速度，一旦赋予了一个运动，就会牢固地得到保持，只要加速或减速的外在原因是不存在的。 这种条件只有在水平面上才能见到，因为在平面向下倾斜的事例中，将不断地存在一种加速的原因；而在平面向上倾斜的事例中，则不断地存在一种减速的原因。由此可见，沿水平面的运动是永无休止的。”^[17]

伽利略因此而成为“科学史上第一个用严格的科学论证提出惯性律的科学家”！^[7]

显然，根据伽利略提出的这个“惯性定律”——“惯性运动”当然是沿水平面的、速度均匀的、永无休止的！

那么，这样的运动，是否等价于“匀速直线运动”呢？

否！早在1632年，伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中就明确指出：“沿地平线的运动，既不向上也不向下，将是环绕一个中心的圆周运动”，^[18] 还指出：“对一个既不向下也不向上的表面来说，它的各部分一定是和地心等距离的……平静的海洋上航行的船只，就是这样的一种运动体……要是排除一切外界的和意外的阻碍，它一旦获得冲力就会不停地以匀速运动”。^[18]

因此，《西方科学史》强调：“伽利略的惯性原理，与笛卡尔的惯性原理或牛顿的惯性原理不同，必须把它称作为‘圆周惯性’原理。”^[19]

不幸的是，伽利略提出的这个“圆周惯性原理”，却被后来的主流学界误认为是有欠缺的。

郭奕玲教授在《物理学史》中指出：伽利略对“惯性运动”的认识是有欠缺的；“伽利略的欠缺得到了笛卡尔的弥补……真正明确提出惯性定律的是牛顿”。^[10]

朱鋐雄教授在《物理学思想概论》中也指出：“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”。^[6]

因此，现行教科书都一致定义：“惯性运动”，是指牛顿第一定律中所说的“匀速直线运动”。^[15]

然而，“沿直线的惯性运动”却有两个可疑之处！

第一个可疑之处：

伽利略的“沿水平面的惯性运动”，拥有“斜面实验”这个坚实的实验基础！ 相反，教科书却告诉我们：牛顿“第一定律不能直接用实验证明”，^[14] 这就意味着“沿直线的惯性运动”没有实验基础！

更何况“斜面实验”在物理学中的重要地位无可比拟！北大赵凯华教授高度评价“斜面实验”：“伽利略的理想实验找到了解决运动问题的真正线索。爱因斯坦说：‘伽利略的发现以及他所用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。’”^[3]

既然“斜面实验”是“解决运动问题的真正线索”，“而且标志着物理学的真正开端”！ 我们怎么可以轻易修改“斜面实验”的结论 ——“惯性运动是沿水平面的”呢？

第二个可疑之处：

时至今日，居然没有一个人能说出这 “沿直线的惯性运动”具有怎样的物理机制！

 

 

被公认为爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家费曼也无奈地哀叹：“为什么它（惯性运动）能保持直线运动？我们不知道。”^[13]

有学者认为，“沿直线的惯性运动”无需物理机制，因为它的依据就是牛顿第一定律！ 而牛顿第一定律是理想化抽象思维的产物，是作为“公理”提出来的。

这种观点似是而非。华东师大朱鈜雄教授说得好：“与欧几里得几何学的公理不同的是，与几何学相比，物理学有着附加的约束：它必须与真实世界相符。”^[6]

因此，在物理学中，即便是“公理”，也应该给出它的物理机制，否则，何以判断它与真实世界是否相符呢？

没有物理机制，当然就非常可疑！

其实，至今谁也说不出“沿直线的惯性运动”的物理机制，也是情理之中的事，因为一直以来，我们连“惯性”的本质和起源都搞不清楚，遑论“惯性运动”的物理机制？

既然我们在§8.1已雄辩地论证了“惯性就是万有引力”，自然会想到，伽利略提出的“沿水平面的惯性运动”，是否可能因此而拥有物理机制呢？

 

 

依据伽利略提出的“圆周惯性定律”，“惯性运动”应该是绕地心、沿水平面、速度均匀、永无休止的！ 那么，斜面实验中沿水平面作匀速运动的小球，是否可能因此而拥物理机制呢？

我们不妨分别从以下两个角度进行分析：

1）从受力的角度：

“理想的”斜面实验中，沿水平面作匀速运动的小球，仅受到竖直方向上两个力的作用，一个是地心对小球恒定大小的引力，另一个是平面对小球的支撑力。以往都误认为这两个力是一对“平衡力”，其实不然 —— 正是“引力”与“平面支撑力”的“差”，为小球绕地心作匀速圆周运动提供了恒定大小的向心力。

归纳后可知，作惯性运动的物体并非不受力，也不是所受合力为零 。

—— 所谓“惯性运动”，就是物体在“恒定大小”的万有引力作用下，绕引力中心的“匀速圆周运动”。

请特别注意：虽然惯性或惯性力的方向是指向引力中心的，但是，惯性运动的方向，则是沿圆周的，并不是引力的方向！

还必须强调：唯有物体在“恒定大小”的万有引力作用下所做的匀速圆周运动，才能被称为“惯性运动”！

而抛体运动、落体运动、开普勒椭圆运动，尽管也是依赖万有引力所做的运动，但是，这三者只是一般的自然运动，而不是惯性运动 —— 因为，这些运动物体与地心的距离在不断变化，它们所受引力的大小并不恒定，以致这些运动并非是速度均匀的，当然不能被称为“惯性运动”。

2）从机械能守恒的角度：

尽管“理想的”斜面实验中，在水平面上作匀速率运动的小球受到了恒定大小的引力作用，但小球在引力方向上并没有位移，也就是说，该引力并不作功。因此，匀速率的（动能不变的）小球，为了机械能守恒，当然只能在水平面（等势面）上运动。

可见，“惯性运动”一定是绕引力中心的匀速圆周运动！而决不可能是“沿直线”的匀速运动！否则，必将违反机械能守恒定律。

“惯性运动”的上述两种物理机制，可以相互印证！

这无疑是令人兴奋的！ 在纠结了300多年之后，“惯性运动”总算拥有了清晰、合理的物理机制！  我们总算找到了“为什么物体会按惯性而行”的原因！

而沿圆周的惯性运动，当然具有向心加速度，那个所谓的难题2（若“惯性”确是“万有引力”，为什么物体在这个“力”的作用下不会产生加速度），自然就是个误解。

可见，伽利略提出的“沿水平面的惯性运动”，不但拥有坚实的实验基础，而且，在明确了“惯性就是万有引力”之后，沿水平面的惯性运动更是令人信服地拥有了清晰、合理的物理机制！

且慢，似乎还不能高兴得太早 —— 因为，我们将因此而面临一个天大的难题——若“惯性运动”不是沿直线的，而是沿圆周的，那么，物理学的那块最厚重的奠基石——惯性定律——牛顿第一定律——岂不是也将垮塌吗？

其实，这个担心也只是个误解！

（请继续关注§8.3）

第八章参考文献

 

[1] 郭汉英，杂文选集[M]，广西师范大学出版社，2013：10

[2] 赵峥，广义相对论基础[M]，清华大学出版社，2012：10～13

[3] 赵凯华、罗蔚茵，力学[M]，第二版，高等教育出版社，2004：41～43

[4] 程守洙 等，普通物理学[M]，第六版， 高等教育出版社， 2006：32

[5] 哈尔滨工业大学理论力学教研室，理论力学（）[M]，       第7版，高等教育出版社，2009：234

[6] 朱鋐雄，物理学思想概论[M]，清华大学出版社，2009：17、24

[7] 阎康年，牛顿的科学发现与科学思想[M]，湖南教育出版社，1989：154、134～141

[8] 牛顿，自然哲学之数学原理[M]，北京大学出版社，王克迪译，2006：1～8

[9] 爱因斯坦全集（第七卷）[M]，湖南科学技术出版社， 邹振隆 主译，2009：34、333

[10] 郭奕玲 等，物理学史[M]，第2版，清华大学出版社，2009：12～13、27

[11] 亚里士多德，物理学[M]，商务印书馆，张竹明 译，1982：229

[12] 爱因斯坦，相对论的意义[M]，上海科技教育出版社，郝建纲、刘道军 译，2005：62

[13] 费恩曼物理学讲义（第1卷）[M]， 上海科学技术出版社，郑永令 等译，2013：134、69

[14] 郑永令 等，力学[M]，第二版， 高等教育出版社， 2002：82、55～56、116～117

[15] 漆安慎 等，力学[M]，第三版，高等教育出版社，2012：63

[16] 林德宏，科学思想史[M]，第二版， 江苏科学技术出版社，2004：86

[17] 伽利略，关于两门新科学的对谈[M]，北京大学出版社，戈革 译2016：169

[18] 伽利略，关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话[M]，上海人民出版社，1974：32、195

[19] M.阿里奥托，西方科学史（第2版）[M]，商务印书馆，鲁旭东 译，2011：340

[20] 杨振宁，在德国纪念爱因斯坦诞生125周年大会上的演讲[J]，香港《二十一世纪》，范世藩译，2004年6月号

[21] 王振发，分析力学[M]，科学出版社，2002：110

[22] 爱因斯坦文集（第一卷）[M]，商务印书馆，许良英、范岱年编译，1976：223～224

 

[23] 同济大学数学系，高等数学（上册）[M]，第七版，高等教育出版社，2014：113