现行教科书中的牛顿第一定律完全是牛顿的本意吗?
投稿人:王孝恩 投稿时间:2024.03.24 17:45 访问量:

牛顿第一定律(NFL)是物理学上少有的仅用文本方式提出的物理学定律。因此,对不同语言文本的翻译和理解往往会出现偏差。牛顿定律在物理学上的权威性,决定了它对惯性定义的权威性。由此,人们对惯性的理解仅被局限于静止或直线运动,而把转动运动排除在惯性之外。在宇宙中绝对的静止和直线运动是不存在的。几乎宇宙中的所有天体都在作近似的圆周运动。行星的公转和自转,既不消耗动力也不对外做功,不用惯性就很难解释。现代生活中的转动运动比比皆是,转动中表现出的惯性也是如此。砂轮机关上电源仍能转动很长时间;快速行驶的车辆在急刹车时,车轮难以停死,车身和车轮都显示了运动的惯性。所以,转动没有被纳入到惯性中,是现行教科书中NFL的一大缺陷。

十几年来,我为NFL中的惯性没有包括转动运动而感到遗憾,也一直为牛顿的遗憾寻找理由。开始我发现,牛顿时代,象征工业大革命的蒸汽机还处于诞生前的孕育期。在1679年法国物理学家丹尼斯·帕潘(Denis Papin, 亦译为Denis baben丹尼斯·巴本,1647-1712)在发明和研究高压锅时最早发明了用蒸汽推动活塞的机械运动。1698年到1712年间,英国人托马期·塞维利(Thomas Savery,1650-1715)和托马斯·纽科门(Thomas Newcomen,1664-1729) [1]先后制造出了早期用于矿井抽水的蒸汽原型机和5.5马力的纽科门蒸汽机。1765-1790年,英国仪器修理工瓦特(James Watt)不断研究和改进纽科门模型,于1769年获得英国专利,并使蒸汽机真正用于工业化生产。显然,工业机器中大量轮转的使用及现代的快速轮转交通工具,都是在牛顿见了上帝(1727年)之后才出现的。这也是我为NFL中的惯性没有包括转动而找到的理由,随后于2021年7月份以此投稿给本栏。

就在去年(2023年),我看到了一篇介绍牛顿原著《自然哲学数学原理(Philosophiae Naturalis Principia Methematica)》 (简称原理) 的文章[1]。原来牛顿的《原理》分别于1687年[2]、1713年[3]和1726年[4]以拉丁文发表,直到牛顿死后两年的1729年才由英国数学家莫特翻译成英文[5]。在前两个拉丁文本中的NFL大致相同:

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

在1726年的第三个也是最后一个拉丁文本中:

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

在莫特1929年的英文译本中:

“Every body perseveres in its state of rest, or of uniform motion in a right line, unless it is compelled to change that state by forces impressed there on”.

比较上述牛顿拉丁原文与莫特的英文翻译文本中NFL关于运动的描述就会发现,莫特将拉丁文中“在方向上匀速运动(movement uniformiter in directum)”,翻译成“以直线匀速运动(uniform motion in a right line)”。牛顿三个拉丁原文都是“原方向匀速运动”的意思,匀速直线运动是莫特翻译时加上的。拉丁文“ in directum”意为“方向”而不是“直线”。因此,仅限于“静止或匀速直线运动”的惯性描述并不一定符合牛顿的本意。我们还可以从另一方面推测牛顿的本意。

众所周知,牛顿终生没有解决的难题是天体运动的初始起动力,而不是现行运动的动力。显然,牛顿眼里行星的公转和自转都是惯性运动。因此,可以判断牛顿的惯性并不仅限于静止或匀速直线运动,而是静止或以原来的方向匀速运动。

另外,我还发现了一个有趣的问题。虽然《原理》被称为英国文化的瑰宝,但作为英国人的牛顿却用拉丁文发表他的著作,并且成为前现代欧洲科学中无可争议的科学论文形式。显然,当时拉丁语在西方统一着科学界。在牛顿时代及牛顿以前的时代,英国作为欧洲大陆的边缘岛国,英国的语言文字并未在欧洲大陆盛行,当然在科学界也是如此。最早的英语词典《约翰逊词典》成书于1755年,于1756年出版。在此之前,英语只有2000多个土著的口语单词,用于普通的叙事估计还可以勉强驾驭。但是不能完成复杂的科学与哲学知识的表述。所以牛顿生前的所有著作都没有用英文发表。

参考文献:

[1Galili, Igal, and M. Tseitlin. 2003, "Newton's First Law: Text, Translations, Interpretations and Physics Education." Science & Education 12.1(2003):45-73.

[2Newtono Isaaco: 1687, Philosophiae Naturalis Principia Methematica, Dawson & Sons, London, 1st ed., p. 12.

[3Newtono Isaaco: 1713/1723, Philosophiae Naturalis Principia Methematica, Sumptibus Societatis, Amstaelodami, 2nd ed., p. 12.

[4Newtono Isaaco: 1726/1779, Philosophiae Naturalis Principia Methematica, Dawson & Sons, London, 3d ed., p. 13.

[5Newton, I.: 1729/1964, Mathematical Principles of Natural Philosophy, Benjamin Motte, MiddleTemple-Gate in Fleetstreet, London, translated by A. Motte; or Runes, D.D. & Kiernan, T. (eds.), The Science Classic Library, Philosophical Library, NY, p. 23.