惯性定律的产生取决于其背后一系列自然观、宇宙观及形而上学基础的转变。伽利略实现了运动的独立和其相对性，使运动有了自我保持的可能。笛卡儿实现了古代有限宇宙的解体和空间的几何化，把运动作为与空间平等的状态存在，使直线运动取代了圆周运动的特权地位。牛顿综合了柏拉图的数学实在论和古代原子论，使惯性原理作为一个建立在可靠形而上学基础上的数学化物理学定律出现。

（一）古代自然哲学中惯性问题的起源

抛射体问题一直是亚里士多德动力学中最有争议的一个论题。亚里士多德借助周围介质的反作用来解释物体脱离施动者后的抛射体运动。贝内代蒂发展出一种冲力物理学，否定了介质的推动作用，认为冲力由施动者传递给运动物体并影响物体运动。布里丹把冲力视为一种自我维持的力量，它不会自行耗尽，从而把空气对物体的外在推动力转变为存在于物体之中的一种内在推动力。如果这个冲力在运动物体中永远保持下去，那么冲力物理学无疑就导出了惯性定律。这正是以迪昂为代表的巴黎学者所得到的观点，并将之作为把近代早期科学的诞生从17世纪提前到14世纪的重要论证。迈尔在其讨论冲力和惯性问题的论文中，反驳了将近代科学诞生提前这一结论，论述了布里丹的冲力会被破坏而不会导出物体的惯性运动；但他却没有否认伽利略是在试图对这一现象的解释中被引向惯性定律的，他还把世界观的转变作为这一偶然发现的结果。^[26]而科瓦雷指出，在伽利略的《论运动》中曾明确提出冲力具有一种本质上无法持久的特性，会在运动过程中逐渐耗尽，因此伽利略不可能通过冲力物理学导出惯性原理；科瓦雷不认为近代物理学是中世纪物理学的延续，更不同意将世界观的转变放在惯性定律的发现之后，而应恰恰相反。^[27]

虽然抛射体问题在一定程度上确实为发现惯性定律提供了某些思路，但要想单单从这种地界运动现象中得到这个原理还远远不够。近代物理学的实质性开创始于天穹，它是在对哥白尼天文学提出的各种物理学问题进行不断的质疑和论证的过程中逐渐发展起来的。对于地球处于宇宙的中心并保持静止不动，亚里士多德早就有一个充分的天文学理由，即当时所观察到的所有恒星的视觉运动都与这一结论相一致。哥白尼通过引入运动的视觉相对性来解决这一问题。另外的一个物理学质疑是，如果地球是作为一颗行星在绕太阳做周年运动同时自身做高速周日旋转的话，那么一个显然的结果就是这种高速运动所产生的分裂性的离心力将使地球和地面上的物体四散分裂。对此，哥白尼反驳说，地球的圆周运动是一种自然运动，自然运动具有不会摧毁运动物体自身的本性，地球上的物体也分享这一本性，因此地球不会分崩离析。但对亚里士多德主义者来说，只有没有重量的天界才能根据它们的自然运动的本性旋转，而不受离心力的影响，地球的运动应视为受迫运动。可以看到，哥白尼用到的概念依然属于旧式哲学的范畴，他曾经试图将原本只适用于天穹的观念拓展到地球，但并未获得成功。

中世纪的冲力观念和哥白尼的地动学说本身还处于古代自然哲学的范围，但它们在物理学和天文学上与当时占主导地位的亚里士多德主义的冲突给新的科学的形而上学基础和宇宙论的产生打开了一个突破口。

（二）运动作为独立实体的确立

惯性定律的关键之处在于运动状态的自我保持。这里涉及运动、状态以及运动状态的自我保持几个概念问题。运动概念最早是同变化联系在一起的。古希腊哲学家把自然界看作是一个活的世界，一个自我运动着的事物的世界，“一个不是由惯性而是由自发运动为其特征的世界”^[28]。运动作为一种目的论观念下的事物的自然变化过程，其变化的原因是活的事物本身。这里的“运动”不是一个原初独立的概念，而是从属于自然事物的一种特性，没有自然就不会有运动。亚里士多德在《物理学》中把“运动”定义为：“运动就是潜能作为潜能的现实化。”潜能和现实是起点和终点，运动是联系它们的桥梁，是未完成的现实化。“运动和变化并不是存在来自非存在，而只是存在方式的改变，即从潜能存在过渡到现实存在。”“运动作为潜能的现实化，本身并不属于存在范畴，因为它不是存在，而是生成。”^[29]可见，亚氏的“运动”也不是一个原初的概念，而是相对于其他范畴的状态的变化过程，但运动本身并不是一种状态。亚里士多德把“运动”分为质的运动、量的运动和位置运动，认为位置运动是最基本和最重要的运动，同时把力看作是运动的原因。

此后，亚里士多德的评注者阿威罗伊对运动的本性提出了两种观点：一种观点认为运动与运动所取趋向的目标属于同一个范畴，二者只有实现程度的差别而没有本质区别；另一种观点认为运动作为过程与它所趋向的目标是不同的，运动本身就是一个范畴。经院哲学家大阿尔伯特根据阿威罗伊的观点提出了“流动的形式”和“形式的流动”的区分，前者将运动等同于质、量或位置范畴的偶性，后者则将运动视为不同于以上范畴的另一独立范畴。^[30]大阿尔伯特持前一种解决方案，他的解答被中世纪后期经院学者普遍接受。依此，要理解位置运动，只需要假定运动者及其在每一瞬间占据的位置就可以了。与之不同，布里丹认为运动是内在于运动物体的一种与质类似的属性，无法归结为其他范畴，只能就运动物体的自身特性来断定。冲力物理学正是基于这样一种对运动本性的看法。这种观点被14世纪后半叶的自然哲学家所接受。^[31]总之，不论是把运动作为三种范畴的偶性还是作为运动物体的附加属性，运动都不是一个独立的概念，而仅是物体变化的过程。

伽利略正是处于这样的经院哲学和自然哲学共存的时代背景中。在早期的著作中，他曾试图将亚里士多德式的动力学和以冲力观念为基础的物理学数学化，但均遭失败。伽利略是一位执着的柏拉图主义者，他最终放弃了对无法量化的原因的寻求，即放弃了对力或冲力概念本身的寻求，不再尝试对运动进行因果解释，而是直接关注运动本身，找到对运动进行符合某一数学定律的描述。（至于我们现在还在使用的“冲力”一语，其含义已经由运动的原因变为运动的效果。）这样，运动便从各种混杂的古代观念中分离抽象了出来，获得了独立的实体地位，“而当运动被提升至独立实体的行列时，它就完全能够无定限地保持下去”。^[32]

在伽利略的时代，物理学和宇宙论是紧密关联的，都属于哲学的一部分。惯性现象之所以对伽利略如此重要，是因为它在对哥白尼学说的辩护中发挥了重要作用。在捍卫地球自转的物理实在性的论证中，由于不可能通过地球上的观测直接得到结论，伽利略运用了运动的相对性原理，即“如果整个系统做共同运动，那么物体相对于彼此的运动现象并不发生改变”。^[33]伽利略运用此原理反驳了支持地球静止的三个著名例子。一是让一个石块从塔顶自由下落，石块落在塔底，伽利略的解释是由于石块和塔参与了地球的同一运动，所以对它们来说，地球的这个运动就像不存在一样。不仅运动自身具有独立性，而且不同的运动还有其各自的独立性和相容性。二是在一艘高速行驶的船上，让一个石块从桅杆顶端自由下落，如果石块落在与船静止时落的同一地点，那么第谷的这个论证就同第一个例子一样无法得到支持或反对地球运动的结论。第谷的这个论证把地球与船类比，已经不小心暗含了天界和地界定律的等同。第三个是炮弹论证，即向西和向东发射的炮弹具有不同的射程，但根据相对性原理，地球运动不会对炮弹造成影响，因此它们的射程应该相同。“如果运动对于其参与者来说完全无法觉察，那么就由此可得，地球的运动对于发生在地球上的现象不会产生任何影响。用近代的术语来说，这就意味着赋予了所有运动，尤其是赋予了圆周运动某些惯性运动的特征。”^[34]哥白尼的物体分享地球的本性的观点在伽利略这里变成了运动的惯性。

上述这些论证很容易通过实验被检验，但我们在伽利略的著作中看到，他并没有这样做，甚至宣称实验是无用的。伽利略并不认为感官能使我们直接把握实在，同所谓的自由落体实验和光滑斜面实验一样，他所承认的物理实在是一种理想的实在，只能通过理性来把握，并通过数学来表达。使柏拉图的数学实在在物理学中取得主导地位，是伽利略对近代科学最大的贡献。他通过假想的光滑斜面实验得到水平运动的永恒持续性原理，即伽利略的惯性原理。不过由于在宇宙的有限性和对物体本性的理解上还部分囿于亚里士多德主义的世界观，伽利略的物体都是重物，因此他的真实的水平面是沿地球的球面而不是直面。这个转变随着在他之后的世界观的变化而得以实现。

（三）宇宙的解体到空间的几何化(www.daowen.com)

亚里士多德的运动理论建立在他的位置理论基础之上，位置理论则建立在其宇宙观念之上。他的宇宙是一个静态的秩序井然的有限整体，每一个物体在其中都拥有与其本性相一致的自然位置，不同本性的差别通过空间的排列来表达。在亚氏的理论中，物体不是一种自我存在，一个物体要实现其本性就要回到其自然的位置上，自然运动就是描述物体回到其自然位置的过程；相反，迫使物体离开自己自然位置的运动称为受迫运动。这样，如果物体处于其自然位置而不被驱赶，那么它们便会静止并一直呆在那里。静止不需要解释，它是物体存在的状态，与运动有着完全不同的地位。另外，在亚里士多德分层次的宇宙中，天界和地界由不同物质组成，遵循不同的定律。天球做自然的均匀圆周运动，地界的运动来自外层天球的带动，地球则静止地处于其自然位置，即宇宙的中心。所以，亚氏的自然运动理论对地球上的物体而言就是“重”物的向下运动和“轻”物的向上运动，对天球而言则是均匀的圆周运动。

伽利略在对落体问题的研究中取消了作为物体绝对性质的轻性和重性的区别，把重性作为物体的唯一性质，同时，他还取消了天与地的物质性差异，使得它们遵循相同的物理学和天文学定律。他虽然取消了亚里士多德的多个自然位置，但还保留了唯一一个自然位置，即世界的中心。因此，自然运动和受迫运动的区分依旧保留，只是伽利略讲的自然运动指的是重物趋向这个中心的自由落体运动和围绕这个中心的匀速圆周运动。他的惯性原理中具有永恒持续性的正是这种圆周运动。伽利略无等级的宇宙球体观已如此接近均匀同质的无限几何空间，只要让它变得无限大，但他没有跨越这个界限^[35]。这也在一定程度上反映了伽利略对经验主义的批判还不够彻底，或者说对柏拉图主义的坚持还不够彻底。只有实现了空间的无限几何化，物体的自然位置概念被取消，自然运动和受迫运动的区别才会消失，作为自然运动的圆周运动的特权地位才会被打破。

历史上，原子论一直是与无限宇宙和虚空联系在一起的，在原子论的宇宙中，没有特殊的物体也没有特殊的位置。伽利略的运动相对性原理解决了哥白尼天文学中地球及其上物体的运动问题，而原子论的复兴及其与哥白尼主义的融合，则构成了新科学所需要的新哲学的基础。伽利略在其著作中已经显示了原子论的思想，但他还没有把它构造成一种普遍的哲学体系。笛卡儿是第一个把这两者完美结合起来的人，也是近代第一个提出了在普遍性上与亚里士多德体系相匹敌的自然解释体系的人。他假设微粒在虚空中自由运动，然后与其他微粒碰撞而改变运动，由于微粒是无限多的，最终填满整个空间，世界就是由这个充实的空间（即广延）和运动构成的。空间不会发生变化，运动一旦被创造出来，运动的量就不会发生变化。笛卡儿的运动观具有一种纯粹可理解的本质，它出现在所有其他物质的本质之前，是纯粹几何学的运动^[36]。同静止一样，它们都是一种性质或状态，具有相同的本体论地位。这种运动的维持和无限延续是不需要原因的。伽利略是开了对运动原因的寻求，而笛卡儿的运动观根本就不需要解释，它是由上帝直接创造出来并保持在存在之中，碰撞是运动在物质之间交流的唯一途径。

对于束缚伽利略的重性，在这里已不再是物质的本质属性，也不是开普勒所设想的磁力吸引的某种表现，而是物体被围绕地球做涡旋运动的大量微粒推向地球的结果。不把重性作为使物体做圆周运动的原因，而是相反把它作为一种运动的现象。这样，需要解释的恰恰是圆周运动，而不是匀速直线运动，正是笛卡儿第一次提出将离心力用于解释天体的圆周运动。“匀速直线运动是自然状态，因此不需要原因的解释。”^[37]从此，圆周运动的特权地位让位于直线运动。此外，他说的在虚空中自由运动指的就是以不变的速度沿直线运动，虚空是匀速直线运动可能发生的唯一地方，而笛卡儿的虚空只是上帝创世之初的一个假设，真实的空间是一个充实体。因此，对笛卡儿而言，存在于虚空中的匀速直线运动只是一种理想的状态，是现实中运动的一种倾向，我们称之为笛卡儿惯性原理，即其《论运动》中的第一条自然规则：只要与其他物质的碰撞不迫使其改变自己的状态，那么物质的每一部分总会继续保持其原来的状态。这是上帝使自然开始运作的第一条原则。

笛卡儿试图从最简单、最容易的观念来重构并发展他的物理学，广延和运动就是这样的观念。对他而言，同质均匀的物质只不过是广延，而广延代表彻底几何化的空间。笛卡儿的宇宙是几何学的实在化。把物质等同于连续的充实的几何空间，“所有事物之间都相互依赖，所有事物之间都瞬时地相互作用。人们无法孤立出任何现象，从而无法提出任何数学形式的简单定律”^[38]。笛卡儿的物理学最终淹没在其混杂的几何实在中，没有实现数学化，只实现了对世界的哲学的解释。笛卡儿的哲学是纯机械论的，他完成了宇宙的解体和空间的几何化，奠定了新本体论的框架，使近代科学前进了一大步。要使这样一种无限的充实的几何空间实现数学化，牛顿还要分辨剔除导致笛卡儿失败的部分，创造另一套新的形而上学基础来达到他的目的。

（四）近代科学形而上学基础的完成

近代科学用一个存在的世界取代了一个生成的世界，用机械论的自然观代替了目的论的自然观。“机械论的自然概念抛弃了活的要素，而这样一种主张就意味着，作为一种自然哲学，机械论哲学的生命力依赖于惯性原理。”^[39]惯性这一术语是由开普勒首次提出的。开普勒在其《宇宙谐和论》中写道：“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性。”“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力。”开普勒所讲的惯性是指重物对于运动的抗拒，它将亚里士多德借助于介质对物体的外部阻碍转变为物质本身的内部阻碍，惯性作为物质的一种普遍属性，是使物体静止的原因，而对于运动的存在和持续，他还需要寻找原因。牛顿在《自然哲学的数学原理》（后文简称《原理》）第二版的一个注释中曾写道：“我所理解的惯性力不是开普勒的那种使物体趋于静止的力，而是一个物体不管是在静止还是在运动状态中都保持的力。”^[40]如果说开普勒所讲的惯性意指对运动或速度的反抗，那么牛顿的惯性则意指对运动状态的改变或加速度的反抗。

从牛顿大学时期的笔记中可以看到，他年轻时接受了笛卡儿、伽桑狄、霍布斯、波义耳等人的机械论哲学原子论的优点^[41]。他最早对光学的研究就是以“以太”作为基本假设的，他的“以太”是一种由微小粒子组成的充满整个空间的流体，“以太”密度的改变影响光粒子穿过它的方向。“以太”假说充分体现了笛卡儿机械论自然哲学的基本特征。但在对气体、热以及化学反应中亲和力等现象的解释中，这种机械论碰到了困难，因此之后牛顿放弃了这种纯机械论的解释，用微粒之间的作用力代替了“以太”假说。牛顿机械论与笛卡儿的不同之处在于他用可以超距作用的力替代了笛卡儿的接触碰撞概念。“通过在物质和运动的基础上加上一个新的范畴——力，牛顿使数学力学和机械论哲学彼此协调。”^[42]牛顿三条定律的第一条给出了惯性定律的最终表述：“每个物体都保持其静止状态或沿直线做匀速运动的状态，除非有施加的力迫使其改变这种状态。”牛顿的惯性定律在运动状态的保持上与笛卡儿有相同的形式，只是他用力的概念取代了笛卡儿的碰撞论。

将物质、广延和空间等同导致了笛卡儿的失败，牛顿重新区分了物质与空间，把古代原子论者的虚空还给了空间，物质则由彼此分离的坚硬的和不变的粒子构成，并把质量作为描述物体基本属性的物理量，而重力表现为质量之间的相互吸引。空间不是与物质相关联的存在，空间中一无所有，它本身就是存在。在这个绝对空间中，一切物体在它之中都有位置，惯性运动就是相对于这个绝对空间的匀速直线运动。物质和绝对空间，再加上运动，就构成了牛顿的世界。惯性定律作为牛顿力学的第一原则，继承了伽利略把物理实在建立在理性基础上这一原则。“我们不能做一个实验来证明这个定律，因此我们不能知道它是否正确。另一方面，我们知道建立在它基础上的科学是成功的。”^[43]牛顿成功地综合了柏拉图的数学实在论和古代原子论，引力使地界物理学与天体物理学在数学上得到统一，笛卡儿几何空间的数学化得以实现。惯性定律也第一次作为一个建立在可靠形而上学基础上的数学化物理学的第一定律出现。

在惯性定律建立的过程中，主要经历了亚里士多德、笛卡儿和牛顿三种范式或者说世界观的转变，我们最后把它们总结一下：亚里士多德的运动是物体自我实现的一种过程，笛卡儿的运动与物体无关，运动就是运动它本身；亚里士多德是用物体来规定空间位置，笛卡儿把物体和空间等同，牛顿则把空间绝对化，物体的位置是处于空间中的位置；亚里士多德的力是物体运动的原因，笛卡儿把碰撞作为物体运动改变的作用方式，把力作为一种机械作用的现象来解释，牛顿则恢复了力的概念，并用引力解释了重性，但他的力是使运动变化的原因。物理学经历了从动力学到运动学又回归到动力学的过程。