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牛頓在1687年的巨著《自然哲學的數學原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica，以下簡稱為《原理》）一書出版之前，並未寫下過3個運動定律，其中第一定律更是經過1000多年來許多科學家的醞釀調適，才出現的創見，與其說它是實驗觀測的歸納，倒不如說它是西方哲學思維的躍遷或許更恰當一些。定律中的「外力」一詞更是在牛頓之前從未使用過的概念。他是如何發現第一定律？又是為了什麼原因把它當作全書的第一個公理？

思維背景

自然哲學的運動觀

起源於古希臘時代的自然哲學，主要內容是探討自然界裡物體的性質、數量、位置的變化現象，其中位置的變化稱作運動。亞里斯多德（Aristotle）認為運動物體都有其目的地，輕物會往上升，重物會向下掉，因為輕物的最終目標在天際，重物的最終目標在世界的中心——地心。這種物體順著其本性朝向其目的地的運動，稱為自然運動，而不按照自然運動方式的則稱為受迫運動。例如若要讓物體向上運動，則必須用手向上拋擲；要讓靜止在平面上的車子運動，則必須不斷接觸施加作用。在當時已使用推、拉、擠壓這類與「作用」（action）相關的名詞，但並沒有「力」（force）概念一詞。

（123RF）

然而，為何脫離了投擲者的石塊還能繼續運動呢？亞里斯多德認為：投擲者投出石塊同時，他也推動了附近的空氣介質，藉著空氣擠壓石塊，使石塊能持續運動下去。此論述保持著物體的作用必須靠接觸來傳遞的一致性。

不必靠接觸而能繼續運動的原因——衝力

到了中世紀初，當時的學者開始質疑：若石塊繫著一條細繩，水平投出，由於空氣較易推動細繩，因此細繩將被推到石塊前方，而非後方，這與事實不符。為了消除因為引入空氣介質解釋所造成的矛盾，6世紀的拜占庭學者斐勞波諾斯（John Philoponus）認為， 當物體脫離了推動者之後，還能持續運動，是因為推動者給予了物體一個動力（motive force），而這個動力維持了物體的運動。

到了14世紀，法國哲學家布里丹（Jean Buridan）繼承斐勞波諾斯的想法，認為運動物體是從推動者那裡獲得「衝力（impetus），並將該力儲存在物體內部，讓物體繼續維持運動下去。他說：「當被拋物離開投擲者，它會受到投擲者所賦予的衝力推動，只要衝力大於阻力，它便會持續運動下去。」

他破除了亞里斯多德所堅持運動物體必有其目的地的觀點，並認為衝力與物體的速度和所含的物質多寡有關，非常接近於今天所說的動量（momentum），可說是日後所言物體「慣性」（inertia）的最初來源。衝力說代表著作用不必靠物體的接觸來傳遞，而是可由一種抽象的「形式概念」來描述，這個專門術語也一直沿用到牛頓時期。

伽利略不受外界阻礙的持續運動——圓慣性

伽利略（Galileo Galilei）承襲了中世紀的衝力理論，主張物體靠著衝力就得以持續運動下去，他在1632年所著《兩個新世界的對話》（Dialogo sopra i due massimi systemi del mondo, tolemaico e copernicano）的第二天對話裡寫著：

薩爾維阿蒂：假如有一個像鏡子一樣光滑的斜面，……在這傾斜面上放一個球，……球放開之後的情形會是怎樣？
辛普利邱：……我肯定它會自發地沿斜面滾下來。
薩爾維阿蒂：這個球會滾多久和多快呢？記住我說過……在完全沒有外部的和偶然的阻礙。
辛普利邱：……只要斜面延伸下去，球將無限地繼續運動。……若平面不上升，也不下降，平面多長，球體就運動多遠。
薩爾維阿蒂：如果這樣一個平面是無限的，那麼在這個平面上的運動同樣是無限的，也就是說，永恆的了，是不是？

這段對話就是大家經常引用的內容，被認為是伽利略慣性定律的來源出處。但需注意他並未使用球不受「外力作用」一詞，他說的是：在完全「沒有外部的和偶然的阻礙」下，球的運動情形。在此情形下，球會沿著「直線」繼續運動下去嗎？……【更多內容請閱讀科學月刊第624期】