牛顿第一定律（惯性定律）或许是我们接触到的第一条物理定律。“定律”这个词很容易造成一种误解，认为定律所陈述的内容是放之四海而皆准的铁律。其实不然，定律这个词对应的英语是“law”，这个单词有法律、规则的意思。我们知道法律或者规则有一定的适用范围，离开特定范围则是无效的。同样的，物理定律也是在特定条件下才成立的。
从古希腊人开始研究物体的运动到牛顿写出《自然哲学的数学原理》正式提出牛顿运动三大定律，这花费了人类两千年的时间。可以说是物理学的一次智力接力。
“在全部的历史里，最使人感到惊异或难于解说的莫过于希腊文明的突然兴起了。”[1]在同时代的人类当中，他们拒绝用传统神话来解释周遭的现象，而更赞同理性的解释。在古希腊哲学家当中，亚里士多德发展了最早的运动理论。
亚里士多德的理论是基于常识的，与大多数人的经验一致，因此他的理论有着根深蒂固的影响，因此有必要了解一下这种理论。
亚里士多德观察到，某些运动无需外界的帮助就可以进行：推出悬崖的石头会落向地面，往低处流的液体，上升的气流，往上窜的火焰。他把这些称为“自然运动”。他认为，这类运动的固体总是趋向于靠近它们自然静止的位置。比如石头的下落是为了靠近地心。他推断，假如一个物体越重，它趋向地心的程度就越剧烈，那么下降的速度就越快，例如石头就比羽毛下降得快。这些“自然运动”都是竖直方向上的，而水平方向上的运动情况有所不同。比如你在地板上推或拉一个箱子，箱子的运动就依赖于你推或者拉的动作。亚里士多德把这类运动归为“强迫运动”，需要外界的推或者拉来维持。亚里士多德的理论与大范围的观察结果一致，由于它似乎言之成理，故得到了广泛的认可。依据我们的经验，石头是自动下落的，为了维持水平运动确实需要推动。
亚里士多德的理论在接下来近两千年的时间里没有受到挑战。这其中有着历史原因。在罗马帝国灭亡之后，古希腊和古罗马的文明濒于消失，但在拜占庭和阿拉伯文化中得以保存下来。亚里士多德的绝大著作在拉丁欧洲实际上失传了。直到公元10-12世纪，古希腊典籍才大量地从阿拉伯文翻译为拉丁文，其中就包括亚里士多德的《物理学》。直到12世纪，欧洲人才惊讶的发现亚里士多德已经在物理、逻辑、生物各个学术领域里作出了伟大的贡献。此时处于文化落后状态的欧洲就开始把亚里士多德供上了神坛。权威是知识的来源之一。在我们不擅长的领域，最便捷的获得知识的方法就是听从权威。就像小时候，在我们眼中，父亲是权威，似乎连他的汗毛都是伟岸高大的。但是，我们长大后可能会惊讶地发现他已经变成了一个抽烟喝酒的糟老头了。
亚里士多德的理论有其不足之处。我们可以证实其中一些。扔一张纸到地上，然后，把它揉成一团再扔。后者是否下落得快些？亚里士多德的理论就遇到了一个难处，那是同一张纸，它趋向地心的程度应该是不变的，所以平整的纸和纸团应该下落得一样快。射出一支箭，它能水平运行一段很长的距离。当箭离开弓之后，又是什么维持其做水平的“强迫运动”呢？我们很难想象亚里士多德这样相信理性力量的人会对此熟视无睹，可能他的研究范围太多了，以致于无暇关注这一点。
这终于招致了才华横溢的伽利略（1564-1642）的挑战。他在头脑中设想了这样一个实验（思想实验）。一重一轻两个球，用绳子连接起来，一起下落。一方面，轻的球下落速度慢，重的球下落速度快，重球会由于绳子束缚被轻球拖累，那么整体速度将会介于两者分别下落的速度之间。另一方面，将两个球作为一个整体考察，其质量比任意一个单球都要重，因此下落速度比任意一个球单独下落速度都要快。这就引出了矛盾。
另外伽利略还有一个“双斜面实验”。他把两个斜面相对放置。他注意到一个球从倾斜向下的斜面顶端静止滚下，然后顺着向上倾斜的斜面向上滚动，几乎可以到达它最初的高度。斜面越光滑，球上升的高度越接近原位置高度。他认为，正是摩擦力阻碍了它上升到与原位置相同的高度。然后他减小向上倾斜斜面的角度。如果球再一次上升到相同的高度，它必须走得更远。然后，他提出一个问题：“如果如果我有一块很长的平板，球要滚多远，才会达到相同的高度？”答案很显然，“无限长——它永远也不能达到它最初的高度。”[2]这从根本上与亚里士多德的理论相矛盾。亚里士多德理论认为需要持续的推或者拉才能维持水平运动。
伽利略和后来的科学家终于达到了比亚里士多德更加深刻的认识。它包含一个极端理想化的情况：假如你能摆脱摩擦和空气阻力以及重力的影响。这种情况是不容易想象的，因为重力无处不在。法国哲学家和科学家笛卡尔是最早想象重力不存在并理解其后果的人。笛卡尔认识到如果你在半空中松手放开一块石头，而且没有重力和摩擦力或空气阻力，这块石头将不会落下。它将选在半空中不动。并且如果你用手指轻弹这块不动的石头，它就会沿着直线运动并保持速度不变，永远这样运动下去。
失重状态下漂浮的水滴
亚里士多德的理论一直以来给我们这样的直觉观念，要保持一个物体运动，它必须得到某种东西的帮助，但实际上并不需要。为了保留这样的直觉观念，我们才引入了“惯性”这样一个词来表示物体保持运动和保持静止的倾向。
1642年，伽利略去世几个月之后，艾萨克·牛顿出生。1687年牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，他在其中重述了伽利略和笛卡尔的发现，作为他的第一条运动定律：
物体会保持其静止或匀速直线运动状态，除非有外力迫使改变其状态。
我们回头再看一下这个故事，或许可以理解科学是怎么一回事。
对于一个研究对象，我们总是可以提出一些理论去解释它。比如亚里士多德对运动提出的解释一样。亚里士多德显然疏忽了，就是他没有去验证他的理论是否正确。然而伽利略提出了实验观察的方法去检验一个理论是否合理。假如一个理论的推断与实验观察不符，那么我们就可以改进这个理论或者直接提出一种符合事实的新理论。伽利略是最早实践这样科学认知过程的人，所以史蒂芬·霍金认为，“自然科学的诞生要归功于伽利略。”
科学方法的成功是有目共睹的，它更多依赖的是科学家的一种共同的态度。这种态度是质疑，完善，谦逊或勇于承认错误的态度。在这个例子中，亚里士多德遭到了伽利略的质疑，运动理论得到了完善，从而揭开了牛顿力学的序幕。在牛顿之后的三百年，他遭受到了爱因斯坦的质疑，从而有了相对论。或许在不久的将来，相对论也会被证明不正确了。这种科学探究的过程不会停止。亚里士多德在这里处于很不幸的位置，他错误的理论给他带来了被嘲笑的理由。但是科学正是在学习前人、发现错误、超越前人的基础上成长起来的，这些错误其实不是“荒唐可笑”的。正如牛顿所说，“如果说我比别人看的更远一点，那是因为我站在了巨人的肩膀上”。了解前人的错误是怎么发生的，比简单否定重要得多。勇于承认错误的态度或许是最重要的，也是难能可贵的。伽利略由于支持“地心说”被天主教会判处终身监禁，直到1992年教会才发表声明承认其对伽利略在科学的错误判决。
马克斯·波恩
我一直对物理学家波恩的一句话印象深刻：“我相信绝对必然、绝对准确和终极真理这些想法都是空想虚构，任何一个科学领域内都不应采纳。……在我看来这种对思想的松绑是现代科学给予我们的最大幸事。这是因为相信独一无二的真理，相信自己是其拥有者，这些都是这个世界的万恶之源。”当然，这句话不能过度解读了，要不然我就要被查水表了。
参考
[1] 伯特兰·罗素 《西方哲学史》
[2] 伽利略 《关于两门新科学的对话》
来源：课堂新视界
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