一個物體，假若不受其他物體作用（或所受合力為零)，則它將保持靜止或作勻速直線運(yùn)動。這就是牛頓第一定理，該定理的最初敘述是伽利略提出的，后經(jīng)笛卡爾改進(jìn)，牛頓將其進(jìn)一步健全。關(guān)于牛頓第一定理，有下述幾點(diǎn)須要說明：⑴慣性定理是不能直接用實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格地驗(yàn)證的，它是理想化具象思維的產(chǎn)物。在上述定理的敘述中，用了“力”這個詞兒。這是牛頓熱學(xué)最基本的概念之一，也是日常生活和數(shù)學(xué)學(xué)史中用得很濫的詞兒。有鑒于此，我們不妨改用下述較為現(xiàn)代化的說法來敘述慣性定理：自由粒子永遠(yuǎn)保持靜止或勻速直線運(yùn)動的狀態(tài)。所謂“自由粒子”，是不受任何互相作用的粒子(質(zhì)點(diǎn))。它應(yīng)當(dāng)是完全孤立的，或則是世界上惟一的粒子。其實(shí)，實(shí)際上我們不可能真正觀察到這樣的粒子。但當(dāng)其他粒子都離它十分遠(yuǎn)，因而對它的影響可以忽視時(shí)，或則其他粒子對它的作用彼此互相抵消時(shí)(即所謂受合力為零），我們可以把這個粒子看成是自由的。這通常是辦不到的，雖然這能辦得到，這個孤立的自由粒子，因?yàn)檎也坏絽⒖嘉飦矶x參考系，因而未能考慮它的運(yùn)劫惰況。由此可見，慣性定理是不能直接用實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格驗(yàn)證的，它是理想化具象思維的產(chǎn)物。⑵牛頓第一定理提出了“力”和“慣性”這兩個重要概念。牛頓動力學(xué)中的核心概念是力。
經(jīng)驗(yàn)告訴我們，物體的運(yùn)動是因?yàn)槲矬w之間的互相作用導(dǎo)致的。火車的行進(jìn)是因?yàn)闄C(jī)車的牽引作用，槍彈的射箭是靠著雷管爆燃的作用。物體之間的互相作用，用“力”這個概念來抒發(fā)。實(shí)際上，人對力最初的認(rèn)識是始于人的胸肌對重物的作用。力的概念似乎出現(xiàn)得很早，然而關(guān)于力和運(yùn)動的關(guān)系的正確認(rèn)識卻得到得相當(dāng)晚。在亞里士多德的《物理學(xué)》中有一條原理:“凡運(yùn)動著的事物必然都有促進(jìn)者在推進(jìn)著它運(yùn)動。”這個論斷在幾乎歷時(shí)兩千年的時(shí)間里被覺得是無可懷疑的精典。從動力學(xué)角度來認(rèn)識力，把力與物體的運(yùn)動狀態(tài)正確地聯(lián)系上去，主要是伽利略和牛頓的戰(zhàn)功。伽利略通過對斜面上物體的運(yùn)動的研究，得出了不受加速或減速誘因作用的物體將作勻速直線運(yùn)動的推論，牛頓則將這些加速(或減速)誘因明晰地稱為力，因而確立了力不是維持物體運(yùn)動的誘因。牛頓第一定理揭示了這一思想，提出力是促使物體改變靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的一種作用，這樣就給出了力的定性定義。力的這一定義大大擴(kuò)寬了力的范圍，使力的范疇從原先僅限于彈性力、肌肉力、壓力開拓到包括引力、磁力等。每位物體在不受外力時(shí)都有“保持其靜止或作勻速直線運(yùn)動的狀態(tài)”的屬性，這就是慣性。慣性是“每個物體按其一定的量(之后我們將其定義為質(zhì)量)而存在于其中的一種抵抗能力”，使“物體保持其原先的運(yùn)動狀態(tài)”。
故牛頓第一定理一般又稱為慣性定理。(3)牛頓第一定理是大量觀察與實(shí)驗(yàn)事實(shí)的具象和概括。牛頓第一定理不能直接用實(shí)驗(yàn)來證明，由于世界上沒有不受其他物體作用的“孤立”物體，而“所受合力為零”這一點(diǎn)本身并不自明。但值得幸好的是，迄今為止力的定理表明物體間的斥力都隨物體寬度離的降低而迅速遞減，因此遠(yuǎn)離其他所有物體的物體可近似看成孤立物體。而遠(yuǎn)離其他所有物體的物體的運(yùn)動狀態(tài)的確非常接近于勻速直線運(yùn)動狀態(tài)（如遠(yuǎn)離恒星的慧星的運(yùn)動）。這一事實(shí)使我們相信牛頓第一定理是正確的，是客觀事實(shí)的合理概括。但由此也可以見到牛頓第一定律是怎么來的，牛頓第一定理必須與力的定理聯(lián)系上去才有意義。(4)牛頓第一定理定義了一類重要的參考系一慣性系。上文提及，慣性定理是不能直接用實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格驗(yàn)證的。構(gòu)想有一位很嚴(yán)格的科學(xué)家，他相信慣性定理是可以用實(shí)驗(yàn)來證明或推翻的。他在水平的桌面上推進(jìn)一個小球，并設(shè)法盡量去除磨擦(現(xiàn)代可以用氣桌相爭當(dāng)?shù)貋韺?shí)現(xiàn)這一點(diǎn)），他觀察到，小球確實(shí)相當(dāng)精確地作勻速直線運(yùn)動。正當(dāng)他要宣布驗(yàn)證慣性定理成功時(shí)，突然發(fā)覺一切忽然顯得反常了。原先沿直線運(yùn)動的小球偏到了一邊，向房屋的墻上滾去。他自己也倍感有一種奇怪的力把他推向墻去。到底發(fā)生了哪些事？原先有人和他開玩笑。
那位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室沒有窗臺，與外界完全隔絕。開玩笑的人安裝了一種機(jī)械，可以使整個房屋旋轉(zhuǎn)上去。旋轉(zhuǎn)一開始，就出現(xiàn)上述各類反常現(xiàn)象，于是慣性定理被推翻了。人們談?wù)撨\(yùn)動時(shí)，是離不開參考系的。上述故事表明，慣性定理在有的參考系(例如那間旋轉(zhuǎn)著的房屋)中是不創(chuàng)立的。因而我們定義：慣性定理創(chuàng)立的參考系為慣性參考系，簡稱慣性系。從運(yùn)動學(xué)中我們曉得，一旦找到了—個慣性系K，則在相對于K系作勻速直線運(yùn)動的所有參考系中慣性定理都滿足，因此都是慣性系。由此可知，慣性系是一類重要的參考系，在慣性系中,牛頓第一定理嚴(yán)格正確。牛頓第一定理的意義是：一定存在這樣的參考系，在該參考系中，所有不受力的物體都保持自己的速率不變。這類參考系稱為慣性參考系，或稱慣性系。即：慣性定理斷定，慣性系一定存在。(5)慣性不是某些物體的性質(zhì)，而是參考系的性質(zhì)牛頓第一定律是怎么來的，或則說是時(shí)空的性質(zhì)。在一個參考系中，只要某個物體符合慣性定理，則其他物體都服從慣性定理。由此可見，慣性不是某些物體的性質(zhì)，而是參考系的性質(zhì)，或則說，是時(shí)空的性質(zhì)。“慣性”的起源是一個很深刻的化學(xué)問題。綜上所述，牛頓第一定理具有豐富的內(nèi)容，它既提出了力和慣性的概念，又定義了慣性系；并且，它的創(chuàng)立并不依賴于力和慣性的定量量度。它比牛頓第二定理具有更大的兼容性。本文轉(zhuǎn)自公眾號萬象經(jīng)驗(yàn)
