力和物體運(yùn)動關(guān)系的探究歷程

原文標(biāo)題：《為什么蘋果往下落，熱氣球卻往天上飛？》

世間萬物都在運(yùn)動

宇宙萬物都在運(yùn)動和變化之中，物理學(xué)就是要研究它們的運(yùn)動變化規(guī)律，研究它們?yōu)槭裁磿\(yùn)動、怎樣運(yùn)動。

我們能看見物體，是因為光子跑到眼睛里來了；我們能聽見聲音，是因為聲波通過空氣傳入了耳朵；我們能接聽電話，是因為有電磁波在給我們傳遞信息；至于蘋果熟了會下落，推一下椅子，椅子會動就更不用說了。

如果沒有運(yùn)動，世界將是一片死寂，那也沒物理學(xué)啥事了。

運(yùn)動是如此普遍和顯然，可物體為什么會運(yùn)動呢？乍一看，這個問題好像很好笑，但仔細(xì)一想，你會發(fā)現(xiàn)它遠(yuǎn)沒有想象的那么簡單和理所當(dāng)然。

為什么蘋果往下落，熱氣球卻往天上飛？我推一下椅子，椅子就往前走，一松手椅子就停了，難道有外力物體才會動？一個鐵球比一根羽毛落得更快，是因為鐵球更重一些嗎？這些問題是如此平常，但回答起來卻異常困難。古希臘時期很多自然哲學(xué)家都思考過這些問題，但答案都不太令人滿意。

比如，你看，我推椅子，椅子就動了。這個好理解 —— 通過接觸傳遞力，也很容易接受。但是，蘋果下落時，并沒有東西跟它接觸啊，為什么它還會運(yùn)動呢？熱氣球上升時，也沒有東西跟它接觸，為什么它也運(yùn)動呢？而且，為什么蘋果往下運(yùn)動，熱氣球卻往上運(yùn)動呢？難道說重物都往下落，輕物都往天上飛？

看到這里，有些同學(xué)肯定想說：蘋果下落是因為受到了向下的引力，熱氣球上浮是因為受到了向上的浮力。很多家長在回答孩子的問題時，也喜歡直接這樣甩答案。

這答案雖然沒錯，但它過于從天而降。孩子們通過這種答案只能獲得一個零碎的知識點(diǎn)，無法了解背后的知識體系，也無法體會科學(xué)是如何建立起來的。古希臘人對自然界進(jìn)行了細(xì)致的分析和深入的哲學(xué)思考，最后形成了一套自洽的自然哲學(xué)體系。

在這個過程中，出力最多、處于核心地位的是亞里士多德，我們姑且把這一整套看待世界的觀點(diǎn)稱為“亞里士多德世界觀”。

這套觀點(diǎn)認(rèn)為：地球是宇宙的中心，日月星辰都圍著地球轉(zhuǎn)。地球上的物質(zhì)由水、火、土、氣四種基本元素組成。土元素天然會向宇宙中心運(yùn)動（所以石頭會掉下來）；水元素也天然向宇宙中心運(yùn)動，但這一趨勢比土元素弱（所以水也會往下運(yùn)動，但在土的上面）；氣元素天然向水和土以上運(yùn)動（所以水里的氣泡會往上面冒）；火元素有一種天然遠(yuǎn)離宇宙中心的趨勢（所以火在空氣中向上燃燒）。

一個物體如果趨于靜止，要么是組成這個物體的元素已經(jīng)達(dá)到了它在宇宙中的自然位置（比如水和土到了地球中心），要么是被其他東西（如地球表面）擋住了。一個靜止的物體會一直保持靜止，除非它有其他的運(yùn)動來源（要么是自己趨于宇宙自然位置的運(yùn)動，要么是外界給了力，比如我推桌子）。

其他觀點(diǎn)我就不一一列舉了，大家看了之后有什么感想？你有沒有感覺，雖然這些觀點(diǎn)在今天看起來很“幼稚”，但它卻是一套自洽的體系。它能把自己的話圓回來，不會自相矛盾；它也能解釋為什么物體會運(yùn)動，能比較好地解釋古人看到的各種現(xiàn)象。甚至，對小孩子來說，這一套理論更符合“常識”，更容易被理解和接受。但是，這并不是科學(xué)，而是自然哲學(xué)，真正的科學(xué)當(dāng)時還沒有誕生。亞里士多德世界觀還要統(tǒng)治歐洲近 2000 年，一直到伽利略的出現(xiàn)。

伽利略的發(fā)現(xiàn)

伽利略認(rèn)為，不能只對運(yùn)動做定性的分析，還要做定量的計算。應(yīng)該用數(shù)學(xué)定量地描述物體的運(yùn)動，再用實(shí)驗去驗證，而不是僅僅討論諸如物體的目的、本性這種形而上學(xué)、無法量化的東西。

這就意味著，伽利略放棄了古希臘以來的自然哲學(xué)傳統(tǒng)，正式創(chuàng)立了以數(shù)學(xué)和實(shí)驗為根基、以“描述自然現(xiàn)象”為任務(wù)，而不是嘗試去“解釋自然現(xiàn)象本質(zhì)”的現(xiàn)代科學(xué)。重物會下落，那就看看它是怎么下落的，第 1 秒下落了多少，第 2 秒下落了多少，找找規(guī)律。

人們說物體越重下落得越快，那就來做實(shí)驗，看看一個重鐵球和一個輕鐵球比是不是如此。人們說所有的物體達(dá)到它的自然位置之后就會趨于靜止，那就來做實(shí)驗看看到底是不是這么回事。

做了一堆實(shí)驗之后，伽利略大驚失色，他發(fā)現(xiàn)事情根本不是原來想的那樣。感覺靠不住，得用實(shí)驗說話。

首先，伽利略從一系列斜坡實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)：一個物體是否運(yùn)動，跟它有沒有受力沒有直接關(guān)系，運(yùn)動不需要外力來維持。他設(shè)計了一個光滑的斜坡，發(fā)現(xiàn)不管從左邊多高的地方放下小球，小球基本上都能達(dá)到右邊相同高度的地方。

接下來，減小右邊的坡度，讓右邊越來越平。那么，為了達(dá)到同樣的高度，小球就得運(yùn)動更遠(yuǎn)的距離。

最后，把右邊的斜坡完全放平，那右邊就變成了一個平面，高度永遠(yuǎn)不變了。這樣，無論小球運(yùn)動多久，運(yùn)動多遠(yuǎn)，都不可能再達(dá)到與左邊相同的高度。永遠(yuǎn)達(dá)不到左邊相同高度的意思是：小球會一直勻速直線運(yùn)動下去（假設(shè)地面絕對光滑）。這就像在溜冰場，地面越光滑，人就能一次性滑得越遠(yuǎn)。如果地面絕對光滑，人就會永遠(yuǎn)停不下來，直到碰到其他障礙物。

通過這個實(shí)驗，伽利略發(fā)現(xiàn)運(yùn)動本身并不需要力來維持，物體不受任何外力作用時也能保持勻速直線運(yùn)動的狀態(tài)。那么，力的作用到底是什么呢？用力推椅子，椅子的狀態(tài)確實(shí)改變了，也確實(shí)好像是用的力氣越大，椅子運(yùn)動的速度就越大。

伽利略針對這些問題做了進(jìn)一步研究，最后發(fā)現(xiàn)：力不是維持物體運(yùn)動的原因，而是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。也就是說，維持物體的運(yùn)動不需要力，但改變物體的運(yùn)動就需要力了，力還是非常有用的。小鋼球在絕對光滑的地面上能一直做勻速直線運(yùn)動，速度的大小和方向都不變。但如果用力推小球，小球的速度就會改變。伽利略的工作非常重要，他不僅開創(chuàng)了現(xiàn)代意義上的科學(xué)，指明了科學(xué)研究的基本方法，還身體力行，發(fā)現(xiàn)了大量物體運(yùn)動的基本規(guī)律，給后人指明了方向。

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