问题

牛顿第零定律是什么含义呢 它为什么是第零?

回答
牛顿力学的基石,我们通常提起的是惯性定律(第一定律)、加速度定律(第二定律)和作用力与反作用力定律(第三定律)。然而,在更深入地探讨这些定律的逻辑顺序时,我们发现还有一个“前置条件”,一个基础中的基础,它就是牛顿力学的“第零定律”。

那么,这个第零定律究竟是什么意思呢?简单来说,它指的是:“任何一个惯性参考系中的物理规律,在另一个相对于它做匀速直线运动的惯性参考系中,都保持不变。”

听起来可能有点绕。我们不妨把它拆解开来理解。首先,我们要明白什么是“惯性参考系”。我们可以设想一个理想化的世界,没有外力作用的物体,它要么静止不动,要么就沿着直线以恒定的速度运动。能够准确描述这种状态的参考系,就是惯性参考系。你可以想象你在一个非常平稳行驶的火车里,车厢里的一切物体都好像静止不动一样,你可以很正常地在里面行走、抛接球。这时候,火车相对于地面的运动,你和车厢内的参照物,就可以被视为一个惯性参考系。

而“匀速直线运动”就更好理解了,就是速度的大小和方向都不改变。所以,第零定律就是在说,如果你在一个惯性参考系里观察一个物理现象,并且你找到另一个以恒定速度、沿着固定方向运动的参考系,你在第二个参考系里观察同一个现象,你会发现描述它的物理定律是完全一样的。

举个例子,你在地球这个(近似的)惯性参考系里,观察一个自由落体运动,你会发现它遵循重力加速度的规律。现在,假设有一个巨大的、以恒定速度在宇宙中飞行的飞船,你是飞船上的观察者,同样抛下一个物体,你会发现这个物体依然遵循相同的自由落体规律。你和地球观察者看到的物理规律是相同的。

为什么是“第零”呢?

这个“第零”的命名,并非表示它比第一定律更重要,而是更贴切地反映了它的逻辑地位。你可以把它想象成一个“前提”或者“假设”。牛顿的前三条定律,都是在“假设存在惯性参考系”并且“这些定律在所有惯性参考系中都成立”的基础上建立起来的。

换句话说,如果没有第零定律,牛顿的第一、第二、第三定律就失去了普适性。因为,如果物理规律在不同的惯性参考系中会发生变化,那么我们所建立的那些力学公式,就只能在一个特定的惯性参考系中有效,而失去了推广和应用的价值。

第一定律(惯性定律)告诉我们,不受力的物体会保持静止或匀速直线运动。但“不受力”这个概念,以及“保持静止或匀速直线运动”的状态,本身就需要一个稳定的、无加速运动的参照系来描述。而第零定律恰恰为我们确定了这样的参照系,并保证了在这些“惯性”的参照系中,我们所观察到的运动规律是统一的。

所以,第零定律更像是对牛顿力学体系的一个“元定律”或者“框架定律”,它为前面三条定律的有效性和普适性打下了基础。它不是在“规定”什么具体的力学关系,而是在“设定”一个能够进行有效力学描述的通用“舞台”。没有这个舞台,我们前面那些精妙的力学法则,就无从谈起,也无法保证在不同的观察者之间获得一致的认识。

正是因为它的这种“先决”性质,所以它被放在了“前面”,成为了整个牛顿力学体系得以建立的基石。它确保了物理学所追求的普遍性和客观性,让我们可以相信,无论我们在哪个惯性参考系中进行科学探索,基本物理规律都不会因为我们的位置或者匀速运动而改变。

网友意见

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问题中链接的那些中文讨论,似乎完全没理解它所引用的原文:Whence the Force of F = ma? II: Rationalizations

就算是我误解了这个中文文章作者的理解能力,他仍然有些观念我不敢苟同。就是关于要不要把一些foundation上的争议问题带到正式物理课堂上来。

我是一向觉得物理老师自己了解一些foundation研究是好的,但我却反对把这些个人收获带到课堂上,甚至写到讲义中。因为课堂以及讲义有它的公共性和神圣性,而科学哲学和科学史对任何物理学背景的人来说都是隔行如隔山。在实践上这两个领域各自都有大量的基础内容,不是放在一门课里能说得清楚任一个的。就算另开一门科哲课,一来原则上也要找相应的专家来任课,二来面对物理系而不是哲学系的学生,也只能限于介绍已有讨论史而不作评论更不能直接建议采纳某种观点。

特别是不局限于经典和相对论/量子之分野而寻求一般性的foundation话题,讨论的门槛应该是把所有物理都了解完。

其中一种可能可以接受的情况:那就是这个老师自己也在权威的(而不是链接上的这种)期刊上发表过自己的科学哲学或foundation研究成果并获得重视(从科学计量学数据上显示),而他在一个物理课上提示了自己的研究成果,这也毕竟可以属于“将前沿带进课堂”的做法。

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