Page 76 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

第五章 绝对运动的动力学

一、力与运动
面对丰富多彩、变化万千的自然界，人们很自然会提出这样的问题，物体究竟是怎样运
动的？物体为什么会这样或那样运动？自古以来，大都把运动的原因归结为力的作用，相继

形成了三种具有广泛影响的运动观，即古代亚里士多德的运动观、近代牛顿力学的运动观和
建立在现代相互作用理论基础上的运动观。
古希腊哲学家亚里士多德对运动的原因进行了认真思考并作出了系统的解释，他用“力”
来解释运动的原因，认为“力是因，运动是果”。亚里士多德把运动分为两大类：自然运动
和受迫运动。自然运动的力来源于物体内部，是由组成物体的元素的固有属性所决定的。古
希腊哲学家认为所有物体都是由水、火、土、气等四种基本元素组成的，亚里士多德提出每
一种元素都有自己的“自然位置”，各种元素总是要为达到自己的“自然位置”而作自然运
动。例如，土的自然位置在地面，因此含有土的石块就作下落运动；火的自然位置在上面，
因此含有火的热空气总是向上升等等。受迫运动则是物体在推或拉的外力作用下发生的，没

有外力，运动就会停止。例如，箭是在弓弦的作用下飞出的，然而脱弦之后又是什么力在支
持箭的飞行呢？对此的解释是，正像在浴缸里用手捏肥皂的一端，肥皂滑出后被推动在水中
前进一样，周围的空气挤向被箭排开的尾部真空，推动着箭向前飞行。亚里士多德从直接的
观察和生活的常识加上纯思辨的逻辑方法去探讨运动的原因，他把“力”定义为产生和维持
物体运动的原因，至于“力”究竟是什么却没有也无法给出回答，只能笼统地将自然运动的
“内力”归结为神的意志，而将受迫运动的“外力”视为人的意志的体现。
在欧洲中世纪后期，基督教学者们将亚里士多德的学说与基督教义调和起来，于是，亚

里士多德的宇宙观变成了基督教救世福音的一部分，亚里士多德因此被奉做了神明，他的所
有观点被视为真理。直到 16 世纪，伽利略用实验的方法推翻了亚里士多德的运动观。他做
了物体在斜面上下滑并沿水平面运动的实验，从而得出“任何速度一旦施加给一个运动着的
物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可保持不变；不过，这是只能在水平面上发生
的一种情形。”“如果这样一个水平面是无限的，那么，这个平面上的运动同样是无限的了。”
这个实验表明，物体做匀速直线运动时并不需要力的作用，只有在改变物体运动状态时才需
要力，也就是说，力是运动改变的原因，这与亚里士多德“力是运动的原因”只多出了两个
字，但其思想内涵却有天壤之别，它标志着一个新的宇宙观和运动观的诞生。
牛顿吸收了伽利略的思想，将其归纳总结为惯性定律即牛顿第一定律，他在《自然哲学

的数学原理》一书中是这样表述的：“每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状
态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。”在此定义基础上，牛顿进一步归纳总结出牛
顿第二和第三定律。牛顿第二定律的原始表述是：“运动的改变和所加的动力成正比，并且
发生在所加的力的那个直线方向上。”其数学形式可写成
F  m 
在受到外力 F 作用时，物体所获得的加速度α的大小与外力的大小成正比，与物体的质量 m

成反比，加速度的方向与外力的方向相同。后来欧拉（Leonhard Euler）又进一步指出，牛
顿第二定律的表述应该是：外力与动量 mυ的时间变化率成正比，即

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