牛顿第一定律的原文,和高中教材有什么不同?

牛顿第一定律，几乎每一个选物理的高中生都能背出来：

一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

前几天讲牛顿第一定律的时候，我突然想到一个以前没有认真追过的问题：

我们现在教材里的这句话，牛顿本人当年到底是怎么写的？

今天早上没课，我就在剑桥大学数字图书馆里翻《自然哲学的数学原理》。这套数字化资料有一千多页，我前前后后找了差不多两个小时，最后终于翻到了牛顿三大运动定律所在的这一页。

【图1：1713年《自然哲学的数学原理》第二版扉页】

我找到的是1713年出版的第二版。

严格来说，这不是牛顿的“手稿”，而是1713年第二版原书的数字化扫描件。这一版上还能看到牛顿后来留下的一些批注和修改痕迹。

《自然哲学的数学原理》是用拉丁文写成的。

翻到运动定律这一页，最上面写着：

AXIOMATA, SIVE LEGES MOTUS

意思是：

公理，或运动定律。

下面就是：

LEX I.

也就是第一定律。

【图2：牛顿第一、第二运动定律原版页面】

牛顿第一定律的原文是：

Corpus omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum, nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.

大致可以翻译为：

每一个物体都会持续保持它原来的静止状态，或者沿直线做匀速运动的状态，除非受到施加于它的力，迫使它改变这种状态。

找出来以后，我第一感觉其实是：

我们现在高中教材的表述已经非常准确了。

核心意思几乎没有发生变化。

但仔细看原文，还是有几个地方让我觉得很有意思。

一、“保持”

牛顿使用的 perseverare，有持续、坚持、保持的意思。

物体一旦处于某种运动状态，在没有外界作用改变它的时候，这种状态本身会延续下去。

静止会继续静止。

匀速直线运动也会继续匀速直线运动。

这句话今天看起来很普通，但其实非常重要。

因为很多学生直到现在仍然会下意识地认为：

一个物体正在向前运动，那么前面一定应该有一个力推着它。

这其实非常接近人类最朴素的运动直觉。

但牛顿第一定律恰恰告诉我们：

运动本身并不需要力来维持。

力真正对应的是运动状态的改变。

二、“施加于物体的力”

原文中的 viribus impressis，可以理解为施加在物体上的力。

这里其实已经隐含了后来受力分析中非常重要的一个思想：

先选定一个物体作为研究对象，然后研究外界对它施加了哪些作用。

物体内部发生什么，和外界施加在它上面的作用，是两个不同的问题。

所以我们高中物理为什么一做动力学就先说“选择研究对象”，并不是一个做题技巧而已。

它背后对应的是整个牛顿力学处理问题的基本方式。

三、“迫使它改变”

我觉得原文里最有意思的，反而是 cogitur mutare 这一部分。

它带有一种很明显的意思：

物体原来的状态本来会继续保持，是外界作用迫使它发生了改变。

所以力不是运动的原因。

更准确地说：

力是运动状态发生改变的原因。

用我们今天高中物理的语言来说，就是：

力和速度不存在直接对应关系，合力与加速度才存在直接对应关系。

更有意思的是，牛顿写完第一定律之后，并没有马上进入第二定律。

他紧接着举了几个例子。

第一个是抛射物。

牛顿大意是说：

抛出去的物体会继续保持自己的运动，除非空气阻力使它减速，或者重力使它偏离原来的方向。

这个例子非常有意思。

因为炮弹实际上一直受到重力，也可能受到空气阻力。

所以牛顿并不是简单地说：

“只有完全没有力的时候，第一定律才有意义。”

他真正关注的是：

原来的运动状态本身具有延续性，而空气阻力和重力改变了这个原来的运动状态。

第二个例子是陀螺。

牛顿指出，陀螺各部分本来都有保持自身运动的趋势，但由于这些部分彼此连接，所以形成持续的转动；空气阻力等作用最后才会逐渐让它停下来。

第三个例子更加宏观。

牛顿提到了行星和彗星。

因为它们运行的空间中阻力极小，所以这种运动可以保持非常长的时间。

从炮弹，到陀螺，再到行星，牛顿实际上是在用完全不同尺度的现象说明同一个问题：

运动状态本身不需要一个力去不断“维持”，我们真正需要解释的是它为什么发生改变。

我觉得这才是第一定律最容易被低估的地方。

很多学生会把第一定律理解成一句很简单的话：

合力为零，物体静止或者做匀速直线运动。

然后觉得真正有用的是第二定律 F=ma。

但如果没有第一定律，我们甚至没有一个判断“运动是否发生改变”的基准。

第一定律先告诉我们：

如果外界不改变这个物体，它本来应该怎样运动。

第二定律才进一步告诉我们：

外界作用以后，它的运动状态怎样改变。

所以从这个角度来看，第一定律解决的不是一个具体计算问题，而是建立了整个牛顿力学的基准。

可以换一种说法：

第一定律给出了物体自由运动的基线，第二定律研究外界作用怎样让物体偏离这条基线。

这也是为什么第一定律本身没有计算公式，却仍然被放在牛顿力学体系最前面。

三百多年以后，我们高中物理仍然从这里开始。

以前讲第一定律的时候，我更多关注的是学生会不会做题。

真正翻到1713年的原书，再看到牛顿紧接着举出的炮弹、陀螺和行星这些例子以后，我反而觉得：

有些课本里最熟悉的句子，恰恰值得重新回到它最初出现的地方读一遍。

下一篇我准备继续看牛顿第二定律。

因为还有一个很有意思的问题：

牛顿本人当年写的第二定律，其实并不是我们最熟悉的 F=ma。