慣性概念的認(rèn)識(shí)及其影響

慣性概念的認(rèn)識(shí)及其影響慣性是物理學(xué)中最基本的概念之一，也是學(xué)習(xí)物理學(xué)最早遇到的概念之一。這一極為普通和平凡的概念曾經(jīng)引導(dǎo)許多物理學(xué)家深入思考和剖析，促進(jìn)物理學(xué)重大進(jìn)展，其中蘊(yùn)涵著深刻的物理思想和豐富的物理學(xué)研究方法的教益，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)地思考問題的能力非常有效的素材。

一、慣性概念的肇始和牛頓的綜合

慣性一般是指物體不受外力作用時(shí)，保持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性。人們對(duì)于慣性這一認(rèn)識(shí)有賴于……

在人類思想史上，兩千多年前希臘的哲學(xué)家亞里士多德的學(xué)說無疑地起過廣泛的影響，然而他關(guān)于物理學(xué)的論述，許多都是錯(cuò)誤的。他把物體的運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為圓周是完善的幾何圖形，圓周運(yùn)動(dòng)對(duì)于所有星體都是天然的，因而是自然運(yùn)動(dòng)；另外，地球上的物體都具有其天然位置，重物趨于向下，輕物趨于向上，如果沒有其他物體阻礙，物體力圖回到天然位置的運(yùn)動(dòng)也是自然運(yùn)動(dòng)；其他所有形式的運(yùn)動(dòng)則都是強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)。他還進(jìn)而指出，關(guān)于物體的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)，只有在外力的不斷作用下才能發(fā)生；當(dāng)外力的作用停止時(shí)，運(yùn)動(dòng)也立即停止。從這里可以看出亞里士多德肯定了兩點(diǎn)：一，自然運(yùn)動(dòng)不涉及曳力的問題，只有強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)才存在力的問題；二、力是物體強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的原因。從今天來看，這顯然是錯(cuò)誤的，然而它束縛了人們近兩千年。

從這種把物體的運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為外力作用的觀念，可以提取出靜止物體具有慣性的概念。開普勒在他1609年發(fā)表的著作《新天文學(xué)》和1619年發(fā)表的著作《宇宙諧和論》中寫道；“天體有留在天空中任何地方的性質(zhì)，除非它被拖曳著?！薄叭绻祗w不賦有類似于重量的慣性，要使它運(yùn)動(dòng)就不需要力，最小的動(dòng)力就足以使它有無限的速度，但由于天體公轉(zhuǎn)需要用一定的時(shí)間，有的長(zhǎng)些，有的短些，因此非常明顯，物質(zhì)必須具有能說明這些差別的慣性?！薄皯T性，或?qū)\(yùn)動(dòng)的阻力是物質(zhì)的一種特性，在給定的體積中，物質(zhì)的量愈多，慣性愈強(qiáng)?！边@大概是關(guān)于物體慣性的最早陳述?？梢钥闯鲩_普勒所說的慣性是指靜止物體的慣性，甚至他已經(jīng)認(rèn)識(shí)到物體的慣性與它的質(zhì)量有關(guān)，然而他顯然受到亞里士多德思想的束縛，不可能思考運(yùn)動(dòng)物體是否具有慣性的問題。

伽利略開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)和理性思維相結(jié)合的近代物理研究方法，并用于研究物體的運(yùn)動(dòng)。他對(duì)于亞里士

多德關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的粗糙的日常觀察、抽象的猜測(cè)玄想和想當(dāng)然的思辨推理十分不滿，他通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理得到許多正確的結(jié)果，總結(jié)在他的著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》（1632年）和《關(guān)于力學(xué)和運(yùn)動(dòng)兩門新科學(xué)的對(duì)話。（1638年）中，其中一個(gè)重要的結(jié)果如下。假設(shè)沿斜面AB落下的物體，以B點(diǎn)得到的速度沿另一斜面BC向上運(yùn)動(dòng)，則物體不受BC傾斜的影響仍將達(dá)到與A點(diǎn)相同的高度，只是需要的時(shí)間不同；當(dāng)?shù)诙€(gè)斜面變成既不上升，亦不下降的水平面時(shí)，物體將一直以已獲得的速度永遠(yuǎn)向前運(yùn)動(dòng)。伽利略的思想無疑地比他的前輩前進(jìn)了一大步，他認(rèn)識(shí)到不受其他物體的作用，物體可以永恒地運(yùn)動(dòng)，這已經(jīng)很接近慣性定律，但是伽利略還沒有擺脫亞里士多德的影響，他所說的水平面是和地球同心的球面，也就是說，那種不受其他物體作用的物體的永恒運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)，因此我們還不能說伽略發(fā)現(xiàn)了慣性定律。

最早清楚表述慣性定律并把它作為原理加以確定的是笛卡兒。笛卡兒是唯理論哲學(xué)家，他試圖建立起整個(gè)宇宙在內(nèi)的各種自然現(xiàn)象都能從基本原理中推演出來的體系，慣性定律就是他的體系中的一條基本原理。他在他的《哲學(xué)原理》（1644年）一書中把這條基本原理表述為兩條定律：一、每一單獨(dú)的物質(zhì)微粒將繼續(xù)保持同一狀態(tài)，直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀態(tài)為止；二、所有的運(yùn)動(dòng)，其本身都是沿直線的。然而笛卡兒沒有建立起他試圖建立的那種能演繹出各種自然現(xiàn)象的體系，其中許多是錯(cuò)誤的，不過他的思想對(duì)牛頓的綜合產(chǎn)生了一定的影響。

牛頓1661年進(jìn)入劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)亞里士多德的運(yùn)動(dòng)論，1664年他從事力學(xué)的研究，擺脫了亞里士多德的影響。他繼承了伽利略重視實(shí)驗(yàn)和邏輯推理的研究方法，他也繼承了笛卡兒的研究成果。他深入地研究了碰撞問題、圓周運(yùn)動(dòng)以及行星運(yùn)動(dòng)等問題，澄清了動(dòng)量概念和力的概念。1687年出版著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，以“定義”和“公理，即運(yùn)動(dòng)定律”為基礎(chǔ)建立起把天上的力學(xué)和地上的力學(xué)統(tǒng)一起來的力學(xué)體系。慣

性定律就是牛頓第一定律，表述為“所有物體始終保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非由于作用于它的力迫使它改變這種狀態(tài)?！睉T性定律真正成為力學(xué)理論的出發(fā)點(diǎn)。

根據(jù)慣性定律，物體具有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性，這種屬性稱為慣性。不僅靜止的物體具有慣性，運(yùn)動(dòng)的物體也具有慣性；物體慣性的大小用其質(zhì)量大小來衡量。至此，人們對(duì)于物體慣性的認(rèn)識(shí)達(dá)到第一階段比較完善的程度。從此，人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的種種慣性現(xiàn)象都能很好地理解；在實(shí)際中設(shè)計(jì)出種種利用慣性造福和防止慣性傷害的措施。

二、慣性與能量

對(duì)于慣性認(rèn)識(shí)的一個(gè)重要進(jìn)展是慣性與能量的關(guān)系。

能量是物理學(xué)里普遍關(guān)注的問題。運(yùn)動(dòng)的物體有動(dòng)能；相互作用的物體有勢(shì)能，如重力勢(shì)能、引力勢(shì)能、電勢(shì)能等等；其他還有熱能等等。在研究彈性變形體和流體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到經(jīng)受應(yīng)力的物體的勢(shì)能分歸屬于物體的每一部分，而流體的輸運(yùn)則伴隨有能量的傳送。麥克斯韋電磁場(chǎng)理論建立和被赫茲電磁波實(shí)驗(yàn)證實(shí)之后，人們認(rèn)識(shí)到電磁作用是通過場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的，電磁場(chǎng)的實(shí)在性在認(rèn)識(shí)上開始形成，場(chǎng)中不僅貯存有能量，能量的傳送也是通過場(chǎng)來傳輸?shù)?，即存在能流：能流與場(chǎng)的動(dòng)量聯(lián)系在一起。人們研究電子的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)電子周圍存在變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)又產(chǎn)生磁場(chǎng)，兩者的共存又導(dǎo)致存在能流和動(dòng)量，它們同電子的速度平行。因此這一附加的動(dòng)量意味著電子存在附加的慣性質(zhì)量。有一時(shí)期，甚至有人猜測(cè)可能電子的全部質(zhì)量來源于電磁場(chǎng)。這里第一次遇到電磁能量的慣性，提示了慣性與能量的聯(lián)系。

1905年愛因斯坦發(fā)表狹義相

對(duì)論，這是一個(gè)嶄新的物理理論，它統(tǒng)一了力學(xué)理論和電磁學(xué)理論，帶來了時(shí)空觀的根本變革。愛因斯坦隨后證明質(zhì)能關(guān)系，E=mc2，一定的質(zhì)量對(duì)應(yīng)于一定的能量，反之一定的能量對(duì)應(yīng)一定的質(zhì)量。在這里，能量包括了能量的各種形式，突破了上面把某一種形式的能量與慣性聯(lián)系起來的認(rèn)識(shí)。這樣，慣性是能量的屬性，能量具有慣性（質(zhì)量），任何慣性質(zhì)量都應(yīng)歸因于能量。作為物理學(xué)基本概念和物質(zhì)的量的質(zhì)量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、動(dòng)量等概念要比質(zhì)量、力等概念要重要得多。

能量具有慣性拓寬了對(duì)于慣性的認(rèn)識(shí)，也拓寬了對(duì)于能量的認(rèn)識(shí)。它帶來的重大實(shí)用價(jià)值就是核能的釋放。在裂變反應(yīng)中，裂變產(chǎn)物

的靜質(zhì)量小于裂變前物質(zhì)的靜質(zhì)量，質(zhì)量虧損釋放出大量裂變能；在聚變反應(yīng)中，聚變產(chǎn)物的靜質(zhì)量小于聚變前物質(zhì)的靜質(zhì)量，質(zhì)量虧損釋放出大量的聚變能。它也使得人們很好地認(rèn)識(shí)許多物理現(xiàn)象，包括涉及物質(zhì)的全部質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)化的正反粒子對(duì)的產(chǎn)生和湮沒過程。

三、牛頓的絕對(duì)空間和馬赫原理

讓我們?cè)倩氐綉T性定律。慣性定律是近代力學(xué)的基礎(chǔ)。作為基礎(chǔ)性的定律是值得深思的。顯而易見，考查物體的運(yùn)動(dòng)離不開參考系。慣性定律并非在任意的參考系中都成立。慣性定律成立的參考系稱為慣性系，凡是相對(duì)于慣性系作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系也都是慣性系，慣性定律在其中都成立；而相對(duì)于慣性系作變速運(yùn)動(dòng)的參考系，慣性定律都不成立，它們就稱為非慣性系。在非慣性系中考查物體運(yùn)動(dòng)，牛頓第二定律也不成立。為了在非慣性系中仍然保持牛頓第二定律的形式，除了物體之間實(shí)在的相互作用之外，還必須考慮一種與物體質(zhì)量有關(guān)且與非慣性系相對(duì)

于慣性系的加速度有關(guān)的力。這個(gè)力因?yàn)榕c物體的慣性有關(guān)，故稱為慣性力。通常認(rèn)為它不是物體之間實(shí)在的相互作用力，因而是“虛擬的”。

立刻產(chǎn)生一個(gè)問題，慣性系在哪里，或者什么樣的參考系是慣性系？深入地研究發(fā)現(xiàn)，這在理論上和實(shí)踐上都存在根本的困難。首先，要問什么是慣性系，回答是慣性系就是慣性定律成立的參考系，那就是說，在這個(gè)參考系中一個(gè)不受外力作用的物體總是處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。那么不受外力作用又是什么意思呢？這就是說，在慣性系中處于靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體是不受外力作用的。這樣就又回到什么是慣性