6. Phương pháp nghiên cứu
2.1.2.1. Định luậ tI Newton
Trước Newton, Aristode có quan niệm sai lầm cho rằng trạng thái đứng yên là trạng thái tự nhiên của mọi vật khi không có vật nào tác dụng lên nó. Theo ông và các học trò của ông thì chỉ khi kéo một vật, tức là tác dụng vào vật một lực, thì vật mới chuyển động, còn khi thôi kéo (tức là thôi tác dụng) thì vật đứng yên. Mãi sau này Galileo và Newton đã dùng phương pháp thực nghiệm để bác bỏ cách giải thích trên và đưa ra một cách giải thích mới về hiện tượng đứng yên. Xét về mặt động lực học thì đứng yên chỉ là trường hợp đặc biệt của trường hợp chuyển động thẳng đều khi vận tốc ban đầu bằng không.
Nếu nhìn lại lịch sử phát triển của vật lý học thì Galileo được coi là người đầu tiên sử dụng phương pháp thực nghiệm. Ông thả một hòn bi lăn trên một máng nghiêng rất nhẵn và nhận thấy hòn bi chuyển động nhanh dần khi lăn xuống mặt phẳng nghiêng và chuyển động chậm dần khi lăn ngược lên. Ông dùng một mặt phẳng nằm ngang và hai máng nghiêng để thực hiện thí nghiệm được mô tả như
hình vẽ. Thả hòn bi từ độ cao ban đầu h trên máng nghiêng 1, hòn bi lăn xuống rồi lại lăn ngược lên máng nghiêng 2. Galileo nhận thấy rằng hình như hòn bi muốn lăn lên máng 2 đạt đến độ cao bằng độ cao h ban đầu. Ông càng hạ thấp độ nghiêng của máng thì hòn bi lăn trên máng 2 được đoạn đường dài hơn. Từ những thí nghiệm tương tự như vậy, Galileo suy ra rằng nếu thay máng 2 bằng một mặt phẳng nằm ngang, nhẵn lí tưởng thì hòn bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi vì chẳng bao giờ có đạt đến độ cao ban đầu.
Nhưng định luật I không phải đơn thuần là sản phẩm của phương pháp thực nghiệm mà còn là sản phẩm của trí tưởng tượng phong phú, của trình độ tư duy cao, và của trực giác thiên tài của Galileo và của Newton.
Trong cuốn “Những nguyên lí toán học của triết học tự nhiên”, Newton viết: “Mọi vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng đều trừ phi nó chịu tác dụng của các lực làm thay đổi trạng thái đó”. Đấy chính là nội dung của định luật I Newton. Định luật I nói rằng, khi thôi tác dụng thì vật sẽ bảo toàn vận tốc. Nhờ tin vào điều đó mà Galileo và Newton đã phát hiện ra mọi vật đều có quán tính.
Nhưng ý nghĩa quan trọng mà định luật I mang lại cho khoa học là phát hiện ra hệ quy chiếu quán tính. Thật vậy, theo định luật I Newton thì các vật tự do sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Nếu ta đứng trong hệ quy
chiếu gắn với vật tự do thì sẽ quan sát các vật tự do khác đứng yên hay chuyển động thẳng đều. Có rất nhiều hệ quy chiếu gắn với các vật tự do như vậy và chúng đều tương đương nhau. Những hệ quy chiếu đó gọi là hệ quy chiếu quán tính.
Một câu hỏi đã từ lâu được nhiều người quan tâm: định luật I có phải là trường hợp riêng của định luật II hay không? Nếu như vậy thì cần gì phải trình bày định luật I? Về hình thức thì định luật I có thể suy ra từ định luật II. Thật vậy, từ công thức của định luật II F = ma khi F = 0 thì a = 0. Nhưng định luật I vẫn luôn là một định luật độc lập vì nó bao hàm những nội dung rất quan trọng như vừa trình bày ở trên. Ngoài ra, định luật I còn chứa một nội dung rất quan trọng khác: tính đồng nhất của thời gian, tính đồng chất và đẳng hướng của không gian. Thời gian trôi đi như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau. Mọi điểm trong không gian, mọi phương trong không gian đều bình đẳng như nhau. Đây chính là tư tưởng thống soái làm cơ sở để xây dựng cơ học Newton và vật lý học cổ điển.