惯性概念的认识及其影响

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1、惯性概念的认识及其影响惯性是物理学中最基本的概念之一，也是学习物理学最早遇到的概念之一。这一极为普 通和平凡的概念曾经引导许多物理学家深入思考和剖析，促进物理学重大进展，其中蕴涵着 深刻的物理思想和丰富的物理学研究方法的教益，是培养学生科学地思考问题的能力非常有 效的素材。一、惯性概念的肇始和牛顿的综合惯性一般是指物体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性。人们对于惯性这一认 识有赖于惯性定律的建立，而它则依赖于对于力的认识以及区分运动状态和运动状态改变的 认识，这一点在人类认识发展史上经历了漫长的岁月。在人类思想史上，两千多年前希腊的哲学家亚里士多德的学说无疑地起过广泛的影响， 然而他关于

2、物理学的论述，许多都是错误的。他把物体的运动分为自然运动和强制运动。他 认为圆周是完善的几何图形，圆周运动对于所有星体都是天然的，因而是自然运动；另外， 地球上的物体都具有其天然位置，重物趋于向下，轻物趋于向上，如果没有其他物体阻碍， 物体力图回到天然位置的运动也是自然运动；其他所有形式的运动则都是强制运动。他还进 而指出，关于物体的强制运动，只有在外力的不断作用下才能发生；当外力的作用停止时， 运动也立即停止。从这里可以看出亚里士多德肯定了两点：一，自然运动不涉及曳力的问题， 只有强制运动才存在力的问题；二、力是物体强制运动的原因。从今天来看，这显然是错误 的，然而它束缚了人们近两千年。从这

3、种把物体的运动归结为外力作用的观念，可以提取出静止物体具有惯性的概念。开 普勒在他 1609 年发表的著作新天文学和1619 年发表的著作宇宙谐和论中写道；“天 体有留在天空中任何地方的性质，除非它被拖曳着。”“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，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定 的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性。”“惯 性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强”。这大 概是关于物体惯性的最早陈述。可以看出开普勒所说的惯性是指静止物体的惯性，甚至他已 经认识到物体的惯性与它

4、的质量有关，然而他显然受到亚里士多德思想的束缚，不可能思考 运动物体是否具有惯性的问题。伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动。他 对于亚里士 多德关于物体运动的粗糙的日常观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分 不满，他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果，总结在他的著作关于托勒密和哥 白尼两大世界体系的对话（1632 年）和关于力学和运动两门新科学的对话。（1638年）中， 其中一个重要的结果如下。假设沿斜面AB落下的物体，以B点得到的速度沿另一斜面BC向 上运动，则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度，只是需要的时间不同；当第 二个斜面变

5、成既不上升，亦不下降的水平面时，物体将一直以已获得的速度永远向前运动。 伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，他认识到不受其他物体的作用，物体可以永 恒地运动，这已经很接近惯性定律，但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响，他所说的水 平面是和地球同心的球面，也就是说，那种不受其他物体作用的物体的永恒运动是圆周运动， 因此我们还不能说伽略发现了惯性定律。最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。笛卡儿是唯理论哲学家， 他试图建立起整个宇宙在内的各种自然现象都能从基本原理中推演出来的体系，惯性定律就 是他的体系中的一条基本原理。他在他的哲学原理（1644 年）一书中把这条基本原理表

6、述为两条定律：一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他微粒相碰被迫改 变这一状态为止；二、所有的运动，其本身都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建 立的那种能演绎出各种自然现象的体系，其中许多是错误的，不过他的思想对牛顿的综合产 生了一定的影响。牛顿 1661 年进入剑桥大学学习亚里士多德的运动论，1664 年他从事力学的研究，摆脱 了亚里士多德的影响。他继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，他也继承了笛卡儿 的研究成果。他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题，澄清了动量概念和 力的概念。1687 年出版著作自然哲学的数学原理，以“定义”和“公理，即运动定律”

7、为基础建立起把天上的力学和地上的力学统一起来的力学体系。惯 性定律就是牛顿第一定 律，表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作用于它的力迫使它改 变这种状态。”惯性定律真正成为力学理论的出发点。根据惯性定律，物体具有保持原有运动状态的属性，这种属性称为惯性。不仅静止的物 体具有惯性，运动的物体也具有惯性；物体惯性的大小用其质量大小来衡量。至此，人们对 于物体惯性的认识达到第一阶段比较完善的程度。从此，人们对于运动中的种种惯性现象都 能很好地理解；在实际中设计出种种利用惯性造福和防止惯性伤害的措施。二、惯性与能量对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系。能量是物理学里普遍关

8、注的问题。运动的物体有动能；相互作用的物体有势能，如重力 势能、引力势能、电势能等等；其他还有热能等等。在研究弹性变形体和流体的运动时，人 们认识到经受应力的物体的势能分归属于物体的每一部分，而流体的输运则伴随有能量的传 送。麦克斯韦电磁场理论建立和被赫兹电磁波实验证实之后，人们认识到电磁作用是通过场 实现的，电磁场的实在性在认识上开始形成，场中不仅贮存有能量，能量的传送也是通过场 来传输的，即存在能流：能流与场的动量联系在一起。人们研究电子的运动，运动电子周围 存在变化的电场，变化的电场又产生磁场，两者的共存又导致存在能流和动量，它们同电子 的速度平行。因此这一附加的动量意味着电子存在附加的

9、惯性质量。有一时期，甚至有人猜 测可能电子的全部质量来源于电磁场。这里第一次遇到电磁能量的惯性，提示了惯性与能量 的联系。1905 年爱因斯坦发表狭义相 对论，这是一个崭新的物理理论，它统一了力学理论和电 磁学理论，带来了时空观的根本变革。爱因斯坦随后证明质能关系，E=mc2, 定的质量对应 于一定的能量，反之一定的能量对应一定的质量。在这里，能量包括了能量的各种形式，突 破了上面把某一种形式的能量与惯性联系起来的认识。这样，惯性是能量的属性，能量具有 惯性（质量），任何惯性质量都应归因于能量。作为物理学基本概念和物质的量的质量概念退 居次要的地位，如今在近代物理中能量、动量等概念要比质量、力

10、等概念要重要得多。能量具有惯性拓宽了对于惯性的认识，也拓宽了对于能量的认识。它带来的重大实用价 值就是核能的释放。在裂变反应中，裂变产物的静质量小于裂变前物质的静质量，质量亏损 释放出大量裂变能；在聚变反应中，聚变产物的静质量小于聚变前物质的静质量，质量亏损 释放出大量的聚变能。它也使得人们很好地认识许多物理现象，包括涉及物质的全部质量与 能量转化的正反粒子对的产生和湮没过程。三、牛顿的绝对空间和马赫原理让我们再回到惯性定律。惯性定律是近代力学的基础。作为基础性的定律是值得深思的。 显而易见，考查物体的运动离不开参考系。惯性定律并非在任意的参考系中都成立。惯性定 律成立的参考系称为惯性系，凡是

11、相对于惯性系作匀速直线运动的参考系也都是惯性系，惯 性定律在其中都成立；而相对于惯性系作变速运动的参考系，惯性定律都不成立，它们就称 为非惯性系。在非惯性系中考查物体运动，牛顿第二定律也不成立。为了在非惯性系中仍然 保持牛顿第二定律的形式，除了物体之间实在的相互作用之外，还必须考虑一种与物体质量 有关且与非惯性系相对 于惯性系的加速度有关的力。这个力因为与物体的惯性有关，故称为 惯性力。通常认为它不是物体之间实在的相互作用力，因而是“虚拟的”。立刻产生一个问题，惯性系在哪里，或者什么样的参考系是惯性系？深入地研究发现， 这在理论上和实践上都存在根本的困难。首先，要问什么是惯性系，回答是惯性系就

12、是惯性 定律成立的参考系，那就是说，在这个参考系中一个不受外力作用的物体总是处于静止或匀 速直线运动状态。那么不受外力作用又是什么意思呢？这就是说，在惯性系中处于静止或匀 速直线运动状态的物体是不受外力作用的。这样就又回到什么是惯性系的问题。这是一具逻 辑循环，无助于解决什么样的参考系是惯性系的问题。其次，在实践中地球是一个相当好的 近似的惯性系，我们在观察实验室中的许多力学现象，都可以把地球看作惯性生活费，但是 地球肖自转，并且绕着太阳在旋转，有一些力学现象显示出地球的这种转动效应，例如惯性 离心力，科利奥莱力等，因此地球并不是严格的惯性系。太阳及其邻近的恒星组成的参考系 是比地球更好的惯性

13、系。进一步的研究表明太阳是银河系中的一颗普通恒星，它同其他银河 系听恒星一起绕银心旋转，作变速运动，因而太阳参考系也不是严格的惯性系。根据这种经 验，我们可以取更大的天体系统的平均静止参考系以趋近严格的惯性系。看来我们可以不断 地趋近惯性系，但却不能找到严格的惯性系。这样，我们有了支配物体运动的力学规律（牛顿定律）但是却无法确定牛顿定律成立的 惯性系。牛顿的力学理论如同建立在沙滩上的建筑物。牛顿深知他的力学理论中的这一脆弱 的根基。他提出的解决办法是引入绝对空间。他想信存在绝对空间，“绝对空间，就其本性而 言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”，这样就可以在绝对空间里区别物体是 处于

14、静止、匀速运动还是变速运动，从而也就能够确定惯性系和非惯性系。为了说明绝对空 间和绝对运动的存在，他提出一个著名的“水桶实验”，其大意如下。一个盛有一半水的桶挂 在拧得很紧的绳子上，松开手后，桶和水的运动经历以下三种情形：（1）开始，桶在绳恢复 原有状态的作用下快速旋转，由于水和桶的粘滞力很小，水尚未旋转起来，水面是平的；（2） 在粘滞力长时间的作用下，水和桶一起旋转，水受到惯性离心力的作用向桶壁挤压，水面呈 下凹形；（3）让桶突然静止，水仍在旋转，水面仍然是下凹。牛顿分析以上实验结果认为， 在（1）（3）两种情形，水对于桶都有相对运动，但前者水面是平的，而后者是下凹的，在（2） （3）两种情

15、形，无论水对于桶是否有相对运动，水面都是下凹的，因此，水对于桶的相对运 动不是水面下凹的原因，水面下凹的真正原因在于水在空间里作绝对转动，受到惯性离心力造成的。这说明存在着可以观察出物体作绝对运动的绝对空间，加速度是绝对的。牛顿的绝对空间和绝对运动继承了人们自古以来认为空间和时间物质及其运动相对独立 而无论的直觉，被大多数人所接受，它还受到哲学家康德的支持，康德说过；“我们永远不能 表象出没有空间，可是我们却很能设想空间中没有对象。”但是牛顿的绝对空间和绝对运动受 到他同时代人的批评，其中著名的有莱布尼兹和贝克莱，莱布 尼兹认为那种与物质客体相分 离的任何空间概念都是哲学上没有必要的，贝克莱则

16、指出，认为空间是“一种永久的、自存 的、无限的、不可分的、不可变的东西”“是有害的、荒谬的”，然而他们都未能提出任何观 念，发展一种新的动力学理论来替代牛顿理论，不过他们的看起来十分挑剔的批评对后有着 潜在的影响。对牛顿绝对空间的第一个建设性批评来自两百年后奥地利的物理学家和哲学家马赫。马 赫在他1883 年出版的力学史评一书中对牛顿的绝对空间和绝对运动作了深刻的批评。关 于牛顿的“水桶实验”，书中写道：“牛顿的旋转水桶实验只是告诉我们，水对于桶壁的相对 旋转不引起显著的离心力，而这离心力是由水对地球及其他天体质量的相对转动所产生的。 如果桶壁愈来愈厚，愈来愈重，直到厚达几英里时，那就没有人能说这实验会得出什么样的 结果。”“如果把水桶固定，让众恒星旋转，能够再次证明离心力会不会存在吗？”在马赫看 来，牛顿水桶实验中凹行为并不能区分究竟是水相对绝对空间的转动，还是水相对于众星体 的转动，因此，并不能由此得出存在绝对空间的结论，相反地，把水面下凹行为看成是由于 水相对于从星体转