牛顿第一定律的重要知识点（你所不知道的牛顿）

在《自然哲学的数学原理》(1686)这部使经典力学得以完善并引发18世纪启蒙运动的巨著中,艾萨克牛顿给出了3条运动定律。

牛顿著作《自然哲学的数学原理》

今天在我们教授经典力学课程时,通常也是从某种版本的牛顿三定律开始的。但是这些定律并不完备,还有另一条原理,缺了它牛顿三定律就大大失去了其力量。在牛顿看来,这条隐藏着的原理对于物理世界是如此重要,以至于他不是将它作为一条支配物质运动的定律,而是把它当作了什么是物质的定义。

物理学家弗兰克.维尔切克称这个原理为“牛顿第零定律”。

这条原理讲的是质量既不创生也不会被消灭。无论发生什么事情——碰撞、爆炸、百万多年的风雨—如果你将开始时或结束时或过程中任何时刻的所有材料的总质量加起来,得到的总是同一个总和。用行话来说,这是因为质量是守恒的。按标准的称呼,这条“牛顿第零定律”有个第严肃的名字,叫“质量守恒”。有证据表明,牛顿自己通常用短语“物质的量”来指称我们今天所说的质量。他的这一用法意味着你不可能有没有质量的物质。质量就是对物质的最终量度。它能告诉你你拥有多少物质。没有质量,也就没有了物质。因此质量守恒表达的是—的确,它就等同于物质的恒常性。在牛顿看来,第零定律不涉及多少实证观察或实验发现,而是一种必要的真理；它完全不适于用作定律,而是一个定义。或者更确切地说,它表达了一种宗教真理—一个有关上帝创造世界的方法的事实。

在他后来发表的《光学》(1704)一书中,牛顿更具体地表达了他对物质终极性质的设想：在我看来,事实可能是,上帝开始造物时,将物质做成了结实、沉重、坚硬、不可入但可运动的微粒,其大小、形状和其他一些属性以及空间上的比例等都恰好有助于他创避它们的目的。由于这些原始微粒是固体,所以它们比任何由它们合成的多孔的物体都要坚硬得无可比拟。它们甚坚硬得永远不会磨损或碎裂,没有任何普通的力量能把上帝在他第一次创世时他自己造出来的那种东西分开。

在这段非凡的论述中有几点值得我们注意。

第一,牛顿把有固定质量的特性作为物质终极构件的最基本属性之一。他称其为 “沉重”。在牛顿看来,质量并不是那种你可以用更简单的名词来解释的概念。它是物质的终极描述的一部分,已经是最底层的概念。

第二,牛顿将我们在大千世界看到的变化归结为基本构件即基本微粒的重新组合。基本构件本身既不创生也不会销毁—它们只是在运动。一旦上帝将它们创造出来,它们的性质,包括其质量,就永远不再改变。牛顿的运动第零定律,即质量守恒定律,依据的就是这两点。

只要质量被认为是守恒的,那么问其来源是什么就没有任何意义。因为它总是相同的。

在经典力学框架内,像“什么是质量的起源”这样的问题不会有答案,这可能是有道理的。因为用无质量的物体来构建有质量的物体必然导致矛盾,我们可以有很多方式来说明这一点。例如：

经典力学的核心是方程F=ma。这个方程将动力学概念的力(F)与运动学概念的加速度(a)联养起来。前者归结为物体受到的拉力和牵引力,后者该物体会有怎样的反应。质(m)在这两个根念之间起调节作用,对于给定的力,物体的反应是小质量的物体获得的速度要快于大质量物体的速度。如果物体质量为零,那它还不跑疯了！要看清它到跑得有多快,它的加速度只能是力除以零,这没有意义。因此,物体开始时总得有一定的质量。根据牛顿的万有引力定律,每个物体加的引力作用都正比于其质量。试想一下:一个非零质量的物体可以由无质量的组件搭建起来吗?你立即遇到矛盾,如果每个组件的引力作用都是零,那么无论你在零作用上加多少个零作用,最后得到的仍是零作用。

显然牛顿第零定律是一个深刻的错误。它是支配物理学、化学和天文学长达200多年的旧体制的核心教条。只是到了20世纪开端,普朗克、爱因斯坦和其他一些人的工作才开始对这一旧日体制构成挑战。到20世纪中叶,在新的实验发现的猛烈轰炸下,这一旧体制终于土崩瓦解。

文章节选自《存在之轻》。

第一推动丛书：物理系列 存在之轻 湖南科学技术出版社 [美]弗兰克.维尔切克

通过对超越旧的物质和空间观念，在书中，弗兰克.维尔切克诠释了一个全新的发现：物质是由几乎无重量的单元构造的。纯能量是质量的最终之源，维尔切克把这个发现称为“存在之轻”。但他向我们展示的远不止这些，空间绝不是单纯的容器，不是空无一物和被动的，它是一种动态的网格——一种现代意义上的以太。网格要比任何“基本”粒子更基本，其自发活动产生并消灭粒子。这种对物质和“虚空”的新认识解释了引力为什么那么微弱，并使自然界所有力的大统一图像变得格外清晰。