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牛顿第一定律是不是“借鉴”了墨子?
作者:业余民科

定律Ⅰ 每一个物体都保持它自身的静止的或者一直向前均匀地运动的状态,除非由外加的力迫使它改变它自身的状态为止。
                    ——牛顿,《自然哲学的数学基础》。

这就是著名的牛顿第一定律。

人教版八年级《物理》(下册)把牛顿第一定律表述为:“一切物体在没有受到力的作用时,总保持静止状态或匀速直线运动状态。”


很多物理学著作包括教科书承认,牛顿第一定律是在总结前人研究成果的基础上得出的。牛顿自己也有一句非常著名的名言,“如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在了巨人的肩上”。就第一定律而言,很多人会认为“巨人”是伽利略,伽利略对惯性有比较深刻的认识。专业一点的还会把笛卡尔也列入“巨人”之列。

物理学最有说服力的一个地方是,它的结论是经由实验验证的。实验摆在那里,不由得你不信。爱因斯坦当年就非常慷慨,把通过实验验证结论的物理学经典研究方法归功于伽利略,说伽利略开了个好头(大意)。伽利略被称为科学革命的先驱,他有个著名的斜坡滚球实验,就是用实验来说明惯性的。

斜坡滚球实验很简单,找一本硬皮书就可以模拟。把硬皮书放在桌面上,翻开顶上那层硬皮,让它和其他书页的夹角大于90度,譬如说我们取120度。这样,斜坡就有了。再找一个小小的中药丸,小圆球就有了。你把药丸放置到斜坡上,松手,药丸就会沿着斜坡滚下。

假如你条件好,有个U形槽,那就更好(没有你可以想象)。你在U形槽的这边斜坡上放置的位置越高,药丸跑到U形槽对面斜坡上的高度也越高。这两边的高度是持平的。

伽利略当年的实验是,打开U形槽的一边,让这一边和地面平行,或者直接把地面当作一边。他的推理是,假如地面上没有摩擦力,那么,从斜坡上滚下来的小球便会一直朝前滚去。见图一、图二

           
   
图一 小球从左侧下,往右侧上。         图二 小球从左侧下,一直向前。


经由斜坡滚球实验,伽利略得到对惯性的认识。笛卡尔在此基础上提出惯性定律:“只要物体开始运动,就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动,直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止。”也才有后来的牛顿第一定律。

可是,什么斜坡滚球,类似实验在《墨子》里面已经有过比较充分讨论。在《墨子》/经说(下),墨子指出:“凡重,上弗挚,下弗收,旁弗劾,则下直。”墨子在讨论车梯、云梯等情况时说,任何重物,如果没有向上的力牵引它,也没有向下的力拉拽它,也没有旁边的力干扰它,那么,它就自然会垂直下落。也就是不受外力作用的话,物体会保持它原来的状态。“扡,或害之也。”他说,假如发生倾斜了,那一定是有外力害得它不直了,外力改变运动状态。见图三、图四。


图三  云梯(图片源自网络https://baike.baidu.com/pic/%E4% ... 94447c19008510ffedb


      
图四 梯子上物体,以小球示意。

显然,按照墨子的这个理论,伽利略的斜坡小球之所以滚动,是因为他松手时,小球不再有手的力量控制,想垂直下落;又因为有斜坡阻挡它垂直下落,所以,它就沿着斜坡向下滚动。自然,这个从斜坡上滚落的小球,如果不受到外力作用,就会一直滚将下去。

这里,墨子还特意明确指出:“今也废尺于平地,重,不下,无䠙也。”见图五。

图五 平地上的物体不会移动


墨子说,但是假如你把一尺大小的物体放置在平地上,那么物体是不会移动的,因为没有斜坡使之下滑。这是从另一个视角论证斜坡上的小球松手后滚动的原因。墨子的这个论断非常高明,他的力学思想在整个实验过程中是一以贯之的,并不是截取实验的部分现象得出片面结论。

不能说墨子做过斜坡滚球实验,但是毫无疑问,墨子对伽利略的斜坡滚球实验这类现象非常熟悉,对其机理也有深刻的洞见: (处于高处)物体,如果没有向上的力牵引它,也没有向下的力拉拽它,也没有旁边的力干扰它,那么,它就自然会垂直下落;如果它在平地上,就不会移动,处于静止状态。

墨子还说:“力,刑之所以奋也。”

“形”指有形的物体,“奋”在古代汉语里既有运动的含义,又有改变运动速度的含义。所以墨子整句话的意思,是讲力乃促使物体由静而动、动而变速的原因。物体由静到动的奥秘源自力,物体运动速度的改变也因为力。假如没有这个力,那当然物体原来啥样还啥样。

墨子的牛话还有这句,“止,以久也”。久,在古代汉语里就是反抗力的意思。这句话翻译过来就是:运动的停止是由于反抗力。还有这句,“止,无久之不止,当牛非马”!如果没有反抗力,运动就不会停止,(这个道理)和“牛不是马”一样,是亘古不变的真理。

墨子太厉害了,墨子对力的认识相当深刻。

对比墨子所言和牛顿所说可知,墨子已经给出了牛顿第一定律的基本内容。如前所述,用牛顿自己的话说,牛顿第一定律的内容就是,“每一个物体都保持它自身的静止的或者一直向前均匀地运动的状态,除非由外加的力迫使它改变它自身的状态为止”;在当代教科书里,牛顿第一定律通常被表述为,“一切物体在没有受到力的作用时,总保持静止状态或匀速直线运动状态”(人教版八年级《物理》下册)。

当然,你可以认为《墨子》的表述和牛顿的表述和现行课本的表述还是存有一些差异的,不过,这不影响墨子理论的伟大。对此,我们既要看到墨子表述和其他表述的差异,也要看到,墨子是几千年前的中国人,我们要了解中国古人的授课方式、论述方式和著述方式。中国古人讲究寓教于乐,启发式教学是其常态。一叶知秋,见微知著,举一反三,融会贯通,听懂话外之音,体察言外之意,……如此等等,这些都是对学生对读者的基本要求。因此,尽管就写出来的文字而言,墨子的表述和牛顿的表述及教科书的表述不尽相同,但是那不意味着墨子对牛顿第一定律的内容了解不全面、掌握不精深。事实上,墨子是人类历史上第一位全面掌握牛顿第一定律内容的科学家,也是最早提出该定律内容的科学家。


【随文猜想】伽利略的斜坡,和墨子的梯子,都是斜的,俩人总结出来的对力的认识,也都长的很像,套用一句名言,这两者“何其相似乃尔”。因此,笔者猜想,伽利略是受到《墨子》及其中国学术启发,才做了“斜坡滚球”实验,才有了他对惯性的认识,也才有了笛卡尔的惯性定律,以及后面的牛顿第一定律。或者,牛顿直接受到《墨子》及中国学术影响,总结出牛顿第一定律。
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