牛顿第一定律

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牛顿力学现在已经成为科学的基础，是学习物理的基础理论。它由三个运动定律构成。长久以来人们习惯了以牛顿三大定律作为推导的基础，几乎没有人去怀疑。但这不代表它就是真理。牛顿第一定律也被称作惯性定律，其内容为：一切物体在没有受到外力作用时总保持静止状态或匀速直线运动状态。也可以表述为,一切物体要么保持匀速直线运动状态要么保持静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。牛顿第一定律主要是从天文观察中，间接推导而来，是抽象概括的结论，不能单纯按字面定义而用实验直接验证[1]。爱因斯坦曾经这样批评：“经典力学想要说明一个物体不受外力，必须证明它是具有惯性的，想要说明一个物体是惯性的，又必须证明它不受外力。”因此牛顿第一定律有循环论证的嫌疑。此外，牛顿无法解释行星绕太阳作公转运动，除了遵守万有引力定律外，还具有同向性，轨道共面性，公转周期都大于太阳的自转周期，牛顿对此只能归因于上帝的安排[2]。同时，牛顿力学不能解决引力波问题，并且与达尔文的生物进化论、热力学第二定律相矛盾。由奥斯特电流磁效应可知，电荷静止存在电场，匀速运动还产生磁场；中性物体静止和匀速运动为什么一样？



1 牛顿第一定律的公理性

作为力学的第一条命题——牛顿第一定律，它就必定会含有“逻辑循环”的性质，它是不可能通过物理学的其他定义或定律，也不可能通过直接的物理实验得到证明的。牛顿第一定律具有公理性，只能依靠以它为出发点所推出的大量结论与无数实验事实的符合得到验证。在第一运动定律中，物体不受力与物体作惯性运动（相对于惯性系作匀速直线运动）互为因果。于是问题产生了：怎样知道物体是否受力作用呢？看该物体相对于惯性系是否作匀速直线运动；又怎样确知判断运动状态的参考系是不是惯性系？又要求对在这个参考系中静止或作匀速直线运动的物体作出“不受力”的判断。也就是说，判别物体是否受力和判别所使用的参考系是不是惯性系，要同时靠物体是否在做惯性运动来决定。所以，正如爱因斯坦所说：“惯性定律的弱点在于它含有这样一种循环论证：如果有一物体离开别的物体都足够远，那么它运动起来就没有加速度；而只是由于它运动起来没有加速度这一事实，我们才知道它离开别的物体是足够远的。”

牛顿力学体系是公理体系的典范，因此牛顿力学本身不能证明三个定律的正确性，也不能保证其合理性。因为逻辑自恰，必须首先保证基本源头逻辑点是合理的，然后才能讨论基于此基本公理上的逻辑，是否存在逻辑矛盾。所以即使体系本身符合逻辑自恰，也不能保证公里的真理性。但是，理论体系中没有矛盾，也不代表该理论体系正确。

2 实验结果证明的片面性

首先，亚里士多德并没有给出实验证明。亚里士多德曾提出假设“凡是运动的物体，一定有推动者在推着它运动——是建立在日常经验上。若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西。当没什么东西推它时，它就会停止移动，是一个推着一个，不能无限制地追溯上去，必然存在第一推动者”，在中古世纪的基督教里，“第一推动者” 就是指上帝。正是因为与基督教教义的结合，才使得亚里士多德学说成为权威学说。

然后，亚里士多德的假设到了伽利略手里，伽利略建立两个理想实验进行证明。第一个实验是斜面试验。小球在斜面上滚落到水平板上，如果不考虑阻力或者没有阻力，小球在水平板上将永远运动下去。在这个实验中有一个前提条件：没有阻力。但是事实上没有人能够实现无阻力实验。第二个实验是乘船理想实验。设想把你和你的朋友关在一只大船的舱板下最大的房间里，里面招来一些蚊子、苍蝇以及诸如此类有翅膀的小昆虫，在拿一只盛满水的大桶，里面放一些鱼；再把一只瓶子挂起来，让它可以一滴一滴把水滴出来，滴入

下面的放着的另一只窄颈瓶子中。于是，船在静止不动时，我们看到这些有翅膀


的小昆虫如何以同样的速度飞向房间各处；看到鱼如何毫无差别的向各个方向游动；又看到滴水如何全部落到下面所放的瓶子中，而当你把什么东西扔向你的朋友时，只要你和你的朋友距离保持一定，你向某个方向扔时，不必比向另一个方向要用更大的力。如果你在跳远，你向各个方向会跳的同样远。尽管看到这一切细节，但是没有人怀疑，如果船上情况不变，当船以任意速度运动时，这一些应照样发生。只要这运动是匀速的，不在任何方向发生摇摆，你不能辨别的出上述这一切结果有丝毫变化，也不能靠其中的任何一个结果来推断船是在运动还是静止不动。这种等价关系产生的原因是，船的运动是船中一切事物也包括空气在内的所有的，我的意思是假定这些事物都被关在房间里„[7].”

伽利略的乘船观察具有强烈的主观性。在观察过程中，观察者是主体，观察对象是客体。观察就是主体以视觉为主，融其他感觉为一体对客体进行综合感知。观察的客观性就是对客体进行周密的系统的全面的观察和分析。在人类对运动的观察过程中，主体不知不觉变成客体的一部分，就会失去主体的独立存在性。难免在观察结果中，对运动的认识存在主观性、片面性。在封闭的船舱内，不能判断船本身是匀速运动还是静止。“在船舱内不能通过事物运动的结果推断船是在运动还是静止不动”与“站在地球上观察太阳，得出地心说”是同样的观测手段与逻辑方法，因此伽利略的观察带有一定的错误。

如果我们改变乘船实验中的某些量，所得到的结果有可能与惯性定律相违背。首先，乘船是严重所列举的物体质量都与船相差很大，他们运动时对大船产生的作用很小，不会使人感觉到明显的变化。因此，在这里我们是否应该增加一个前提，运动物体应该是无穷小量。其次，如果将大船换成小船，不改变实验中的其他量，那么物体的运动有可能会对船产生比较大的作用，使船发生改变，比如当你在小船上跳，小船有可能会上下颠簸。最后，运动是相对的，在一个体系中是匀速运动，在另一个体系中却有可能是静止的。

最后，牛顿对前人的理论进行总结与概括得出惯性定律。牛顿在《原理》中，解释“抛射体如果没有空气的阻力或重力向下牵引，将维持射出时的运动。陀螺各部分的凝聚力不断使之偏离直线运动，如果没有空气的阻力，就不会停止旋转。行星彗星一类较大物体，在自由空间中没有什么阻力，可以在很长的时间，保持其向前的和圆周的运动。”牛顿并没有给出实验证明，而且给出的解释也不能令人信服。阻力是客观存在的，不随人们的意志而变化。因此不能认为不具有阻力而就没有阻力。



3 把牛顿力学的公理体系推广到其他领域

我们已知牛顿力学的公理体系（1）每个物体都保持静止或匀速直线运动的状态，除非有外力作用，迫使它改变状态（2）运动的变化与外力成正比，变化的方向沿外力作用的直线方向（3）每一个作用都有一个相等的反作用。

把牛顿力学的公里体系进行逻辑形式推广到其他领域，看其普遍适应性，然后再把其他科学的公理体系推广到运动学领域，比较结果。



3.1 把牛顿力学的公理体系在逻辑形式上推广到电磁学 将牛顿力学公理体系类比，可以得到电磁学的公理：（1）电荷都保持其静止或匀速直线运动的状态，除非有外界作用，迫使它改变那个状态。（2）电荷运动状态的变化与外界作用成正比，变化的方向沿外界作用的方向。（3）每一个矛盾都有一个相等的反作用。

库仑定律：两个点电荷的相互作用力与两个电荷量成正比，与距离的平方成反比。方向

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