對(duì)慣性與慣性定律的理解

摘要:對(duì)經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀提出了不同的看法，認(rèn)為對(duì)于慣性要區(qū)分:個(gè)別研究對(duì)象的性質(zhì)與存在的性質(zhì);保持某種狀態(tài)的性質(zhì)與改變某種狀態(tài)的性質(zhì)。

關(guān)鍵詞:慣性;存在;時(shí)間;空間

慣性是經(jīng)典力學(xué)中的一個(gè)基本概念，同時(shí)它又是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)基礎(chǔ)性觀念，并且慣性問題也是經(jīng)常被物理學(xué)界討論的一個(gè)話題。人們?cè)趹T性問題上所犯的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，既來源于歷史上人們對(duì)于和慣性概念相聯(lián)結(jié)的力與物體運(yùn)動(dòng)關(guān)系的一貫表達(dá)方式，又來源于牛頓的表述與對(duì)于牛頓力學(xué)理解上的偏差。在牛頓所陳述的第一定律中:“每個(gè)物體都保持其靜止、或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非有外力作用于它迫使它改變那個(gè)狀態(tài)。”牛頓對(duì)“除非有外力作用于它迫使它”作出了對(duì)應(yīng)的理解，即認(rèn)為保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體是有內(nèi)部原因的，這個(gè)內(nèi)部原因即稱為慣性，因而他才認(rèn)為(慣性)大小與該物體的運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量有關(guān)。在牛頓以后，歐拉則將牛頓關(guān)于vis insita 的比較隱晦的注釋作了同牛頓之前的有些科學(xué)家的直感一樣的有一定危險(xiǎn)性的表白:“慣性是物體保持靜止或保持勻速直線運(yùn)動(dòng)的能力……慣性的大小與質(zhì)量成正比例。”從那以后到現(xiàn)在，人們對(duì)于慣性的理解基本上是庸俗性質(zhì)的。隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，特別是諾特爾之后，我們可以認(rèn)識(shí)到使物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因并不在物體的內(nèi)部、也跟力無關(guān)，而是由于物體所處的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性。可是，盡管經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過了漫長的發(fā)展時(shí)期，大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性，本文試從幾個(gè)方面對(duì)慣性進(jìn)行了討論，望引起大家的共識(shí)。

一、慣性的意義

大家知道，慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。一個(gè)物體，只要不受外力作用，原來靜止的就會(huì)一直靜止下去，而原來運(yùn)動(dòng)的則會(huì)一直做勻速直線運(yùn)動(dòng)。這里的問題在于:慣性是否是物體的性質(zhì)?依據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，任何物體均具有慣性。因而，看來慣性不是被研究物體的性質(zhì)，因?yàn)檫@一性質(zhì)是一切物體所具有的，也就是說它與物體的個(gè)別特征無關(guān)。因而，慣性只能是存在的一個(gè)特征，是被研究對(duì)象周圍的環(huán)境在此對(duì)象上的表現(xiàn)。換一句話說，它是存在于物體周圍的一種條件，一種約束。

二、慣性與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的難易程度無關(guān)

通常認(rèn)為質(zhì)量是物體慣性大小的量度是據(jù)于這樣的理由:質(zhì)量大的物體在相同的力作用下其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結(jié)論。而事實(shí)上物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否變化，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是難還是容易，是與慣性無關(guān)的。慣性所揭示出的物體之性質(zhì)不在于其使(或抗拒)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變或代表改變的難易程度的能力，而在于它的保持某種特定狀態(tài)(靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng))的本領(lǐng):在最相似的物之間，錯(cuò)覺說著最巧妙的謊;最小的罅隙是最難度。因而慣性與物體的質(zhì)量無關(guān)。倘若慣性與物體的質(zhì)量有關(guān)的話，則我們也可以說力與慣性也有關(guān)系。因?yàn)閷?duì)于相同質(zhì)量的物體而言，力越小其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越難改變。因而，也即力越小物體的慣性越大。事實(shí)上，在慣性概念發(fā)展的最初時(shí)期，牛頓就將慣性與力進(jìn)行等價(jià)的思考，當(dāng)然現(xiàn)在大家知道牛頓把慣性等同于力的思想是錯(cuò)的了。如果要說質(zhì)量與慣性確有聯(lián)系的話，作者以為也只能從這樣的一個(gè)視角來看:慣性是由其表現(xiàn)物體周圍存在著的與時(shí)空有關(guān)的天體質(zhì)量分布情況決定著的性質(zhì)。這是因?yàn)椋鶕?jù)廣義相對(duì)論，空間的性質(zhì)是由天體質(zhì)量的分布所決定的。所有的教師都要求學(xué)生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當(dāng)我們的教師用動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看待慣性——也就是說，把慣性與牛頓第二定律混為一談的時(shí)候，對(duì)學(xué)生的這一期望是合適的嗎?其實(shí)這是一個(gè)誤區(qū):當(dāng)教完一些物理學(xué)的基本概念與規(guī)律以后，就要求學(xué)生用它們解釋自然現(xiàn)象。事實(shí)上，物理學(xué)中有些基本概念與規(guī)律不是要求我們?nèi)ソ忉屪匀滑F(xiàn)象，它沒有這個(gè)功能，它只是告訴我們要去感受些什么，它提供給我們的不是一種推理的方式，而是一個(gè)判斷的原則:它促成我們的判斷更接近于自然之美的呈現(xiàn)。

三、慣性定律與牛頓第二定律的關(guān)系

當(dāng)物體所受的合外力為零時(shí)，從牛頓第二定律可知物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或做勻速直線運(yùn)動(dòng)?？墒牵瑑H依據(jù)這一點(diǎn)卻不能認(rèn)為牛頓第一定律是牛頓第二定律的一個(gè)特例。因?yàn)檫@兩個(gè)定律的論述對(duì)象其實(shí)是不一樣的。牛頓第二定律的研究對(duì)象是一個(gè)物體，而牛頓第一定律論述的是整個(gè)存在的性質(zhì)。慣性——這個(gè)任何物體均具有的性質(zhì)其實(shí)不是我們的個(gè)別研究對(duì)象所具有的性質(zhì)，因?yàn)檫@個(gè)“任何物體”，包括了天地間的萬物，而萬物的總稱即是宇宙。也即任何個(gè)別的物體都不可能無條件地具有慣性:慣性是存在的特性，是存在著的時(shí)空的特性，是宇宙的特性。

其次，牛頓第二定律是關(guān)于個(gè)別物體因果性的規(guī)律，而牛頓第一定律卻與個(gè)別物體的因果性無關(guān)，它是存在之狀態(tài)的表述，它的表述是與具體的特定的時(shí)間無關(guān)的、瞬時(shí)性的。正是這種非時(shí)間性構(gòu)成了牛頓力學(xué)的本質(zhì)特征。也正是牛頓第一定律所成立的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性構(gòu)成了慣性系的特殊地位，從而使我們可以在牛頓第二定律的意義上來研究物體的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。因?yàn)楹翢o疑問，物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律與采用怎樣的空間和時(shí)間來度量有著密切的關(guān)系。由此可見，不僅牛頓第一定律不是牛頓第二定律和特例，恰恰相反，現(xiàn)行的動(dòng)力學(xué)規(guī)律正是牛頓第一定律所揭示的存在之性在具體的個(gè)體事物上的展現(xiàn)。慣性定律比牛頓第二定律具有更強(qiáng)的基礎(chǔ)性。也就是說，正是慣性現(xiàn)象，構(gòu)成了牛頓動(dòng)力學(xué)所以成立的操作平臺(tái)。由于物體在不受外力作用下保持其速度不變，因而物體運(yùn)動(dòng)速度的變化才跟物體的受力相關(guān)。

最后，牛頓把慣性定律放在三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律的首位也是與其對(duì)自然的信仰因素有關(guān)的。因?yàn)樵谖乃噺?fù)興之前的絕大部分思想家繼承了亞里士多德關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)內(nèi)在決定論的觀點(diǎn)。但在牛頓看來，基本的物質(zhì)粒子完全是惰性的，沒有任何自發(fā)的運(yùn)動(dòng)，而電、磁、光這些“非物質(zhì)”的力量則成為神在自然中的行動(dòng)的載體。也就是說，慣性定律內(nèi)隱含著牛頓否定亞里士多德運(yùn)動(dòng)觀的內(nèi)在目的論并從而建立新力學(xué)的形而上的基礎(chǔ)。

四、慣性與具體物體的質(zhì)量無關(guān)

從上面的討論可以看出:“質(zhì)量是物體慣性大小的量度”這個(gè)論題，在幾個(gè)角度去看都是錯(cuò)誤的。第一，質(zhì)量不是物體慣性大小的量度。個(gè)別研究對(duì)象的質(zhì)量與其所揭示的慣性毫無關(guān)聯(lián)。因?yàn)檫@兩者從數(shù)量上來看是一對(duì)無窮大的關(guān)系，從內(nèi)容上來看是個(gè)體與存在的關(guān)系，在它們之間，人類的理性不可能找到邏輯上的因果鏈。第二，“物體(的)慣性”這樣的說法缺乏依據(jù)，因?yàn)閼T性不是物體的性質(zhì)。物體只是作為慣性的表現(xiàn)者而存在的。第三，“慣性(的)大小”這樣的說法也缺乏依據(jù)，因?yàn)閼T性沒有大小，慣性只是存在的一種表達(dá)方式，一種特定狀態(tài)的顯現(xiàn)。第四，既然慣性并無大小，我們也不可去進(jìn)行量度，事實(shí)上，任何一本教科書上也沒有指出慣性與質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系，因?yàn)檫@一函數(shù)關(guān)系并不存在，它只是人們的一個(gè)虛假的邏輯推測(cè)，誰也不能證明質(zhì)量與慣性成正比或不成正比，更不能得出它們之間的比例系數(shù)，因?yàn)檫@些關(guān)系均是虛假的。因而，物理學(xué)界流傳的物體的慣性等于它的質(zhì)量，只是人們一個(gè)隨心所欲的錯(cuò)誤言說。

由于物體質(zhì)量與慣性無關(guān)，所以，將牛頓第二定律中的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量就是不當(dāng)?shù)模|(zhì)量的確對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變有一種像力一樣的阻抗作用，質(zhì)量在改變物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)上而言似乎有一種“消解”“抗拒”力的性質(zhì)。因而作者認(rèn)為可將現(xiàn)行的“慣性質(zhì)量”改稱為物體的“抗性質(zhì)量”。正如牛頓所說:“物體只有當(dāng)有其他力作用于它，或者要改變它的狀態(tài)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生這種力。這種力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力?！币?yàn)橘|(zhì)量與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化快慢有關(guān)，它事實(shí)上具有動(dòng)力學(xué)特征，當(dāng)一個(gè)物體的質(zhì)量大時(shí)，它對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的阻抗能力就越大。

從邏輯上而言，我們只有將慣性從物質(zhì)的內(nèi)在因素中解除出來，才能完全地克服牛頓時(shí)代的機(jī)械論自然觀與牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律之間存在著的深刻矛盾。也就是說，這樣才能使牛頓第一定律恰如其分地建立在由文藝復(fù)興所形成的機(jī)械論而不是亞里士多德的目的論的形而上學(xué)的基礎(chǔ)之上。

五、慣性定律的表述方式

牛頓第一定律是動(dòng)力學(xué)定律的基礎(chǔ)，但它本身并不表征物體的某種動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，它是關(guān)于人類體驗(yàn)認(rèn)識(shí)自然之美、自然之和諧的陳述。據(jù)于上面的論述，對(duì)牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過分的:反映時(shí)間的均勻性、空間的對(duì)稱性及自然之美對(duì)人的呈現(xiàn)?？墒?，現(xiàn)行的許多教科書中對(duì)牛頓第一定律的陳述是很不一致的。當(dāng)然，這種不一致性用老眼光來看是無傷大雅的，但以今天的眼光來看，這種差異性就成為值得商榷的了。

例如:一個(gè)物體，如果沒有受到其他物體的作用，它就保持自己的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這樣的陳述可能離慣性定律的本義較遠(yuǎn)，因?yàn)檫@一陳述的方式是在動(dòng)力學(xué)的維度上來進(jìn)行的，陳述的對(duì)象是“一個(gè)物體”。這和牛頓第二定律的研究對(duì)象是一致的，這樣方式的陳述毫無疑問地可以把慣性定律認(rèn)為是牛頓第二定律的一個(gè)特例，因?yàn)椤叭绻麤]有”這幾個(gè)字就表達(dá)了陳述事件的某種特殊性。

另外一種常見的陳述方式是:一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。這樣一種表述比前一種完整多了，它幾乎就是牛頓的原義，但這里的“一切物體”應(yīng)當(dāng)換成“任何物體”。因?yàn)樵诖苏撌鲋械摹叭魏挝矬w”實(shí)際上是對(duì)一切物體的否定，而“有外力”應(yīng)當(dāng)換成“其他物體的作用”，因?yàn)閼T性定律是不涉及力的，操作意義上的力這個(gè)動(dòng)力學(xué)的基本概念與慣性無關(guān)。

作者試著這樣來陳述慣性定律:存在著的宇宙有這樣一種性質(zhì)，它使任何物體在沒有受到其他物體作用的時(shí)候總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；蛟S，這樣的一種陳述方式是較明晰的陳述方式，它強(qiáng)調(diào)了慣性與慣性的表現(xiàn)者(個(gè)別研究對(duì)象)的嚴(yán)格區(qū)分，這個(gè)陳述的主語是性質(zhì)，這樣的陳述才可稱為關(guān)于“慣性”的定律。而我們也應(yīng)當(dāng)將慣性定義為:使物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。

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(揭西縣棉湖鎮(zhèn))