物理學(xué)論文-論 慣 性.doc

物理學(xué)論文-論慣性摘要: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)；物理學(xué)規(guī)律的動(dòng)力學(xué)特性與審美性。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（1）?？墒牵M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（2），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)（3）。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)一直作勻速直線運(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。二十世紀(jì)初，德國數(shù)學(xué)家諾特爾（4）證明了：空間平移對(duì)稱性導(dǎo)致動(dòng)量守恒、空間轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性導(dǎo)致角動(dòng)量守恒、而時(shí)間均勻性導(dǎo)致能量守恒。事實(shí)上，物體的慣性是時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性的必然結(jié)果。因而它與個(gè)別的特殊研究對(duì)象無關(guān)。慣性不是個(gè)別存在物的性質(zhì)，個(gè)別存在物只是慣性的顯現(xiàn)者，慣性的本質(zhì)與個(gè)別存在物的特性無關(guān)。從而我們就不能用反映個(gè)別存在物性質(zhì)的量（例如質(zhì)量）來測(cè)度慣性。因?yàn)閼T性作為存在的一種顯現(xiàn)，并無大小可言，它只是存在之狀態(tài)的表達(dá)。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（5）。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)在大家知道牛頓的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)?，根?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。至于時(shí)間，自從奧古斯?。?）提出“什么是時(shí)間？”以來，人們還沒有認(rèn)清它的真面目，也因而從更深的層次上而言，人們只認(rèn)識(shí)到什么是慣性而還沒有搞清慣性是什么。慣性不是一種由個(gè)別物體自身所具備的原因（誠然，所有物體均會(huì)表現(xiàn)出慣性），它不是我們的一種吃力的、需要支撐的、痛苦感的反映，事實(shí)上，它是存在之美感的綻開。因而“慣性是物體對(duì)任何改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的外來作用的阻抗的性質(zhì)”（7）這樣一種說法就是不當(dāng)?shù)?。因?yàn)檫@一注釋還是從對(duì)牛頓第二定律的基本分析而來的，在這一注釋中已經(jīng)隱藏了牛頓第二定律及對(duì)慣性與物體質(zhì)量等價(jià)的認(rèn)同感。其實(shí)，慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在之性質(zhì)，它使物體的存在行為非常簡單，而人們也往往由于常見到這種存在的簡單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠(yuǎn)靜止，運(yùn)動(dòng)的永遠(yuǎn)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，慣性就是將存在如此單調(diào)而重復(fù)地顯現(xiàn)在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的，作者以為均屬一種不當(dāng)?shù)脑庌q行為?？墒沁@種詭辯行為不僅麻木了人的腦神經(jīng)而且充斥著各種各樣的教科書（8），我們來看一些下面的例子。例1慣性也有不利的一面，高速行駛的車輛因慣性而不能及時(shí)制動(dòng)常造成交通事故。所以，在城市的市區(qū)，對(duì)機(jī)動(dòng)車的車速都有一定的限制，以利于行車安全。（9）在這里，不能及時(shí)制動(dòng)是由于慣性還是由于制動(dòng)力不夠大？略作思考，讀者就可判斷出是由于后者。將慣性看成一種破壞力是十分荒唐的。而發(fā)生交通事故的真正原因是，由于車輛質(zhì)量較大，而相應(yīng)的制動(dòng)力在如此質(zhì)量的物體上所產(chǎn)生的加速度很小，不能使車輛很快地減速，從而在短時(shí)間內(nèi)停下來。倘若對(duì)于質(zhì)量較大的車輛來說制動(dòng)力也允許更大，那么作者認(rèn)為還是可以在一定的時(shí)間內(nèi)制動(dòng)車輛的。并且，這個(gè)例子中的“高速行駛的車輛”及“對(duì)機(jī)動(dòng)車的車速都有一定的限制”的字句很容易使學(xué)生認(rèn)為慣性和物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。這對(duì)于初學(xué)者來說是一個(gè)很大的誤導(dǎo)。例2把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下，斧頭就牢牢地套在斧柄上了，這是什么緣故呢？（10）通常標(biāo)準(zhǔn)答案是這樣的：開始斧頭和斧柄同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)斧柄遇到障礙物時(shí)突然停止，而斧頭由于慣性保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。事實(shí)上，斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對(duì)于斧柄運(yùn)動(dòng)了一段位移，而慣性不是克服某種阻力使斧頭運(yùn)動(dòng)的原因。在此問題中的一個(gè)效果是斧頭相對(duì)于斧柄產(chǎn)生了某種（克服一定力的）運(yùn)動(dòng)，因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)。當(dāng)以斧柄為參照時(shí)，實(shí)際上斧柄在撞擊的過程中是一個(gè)非慣性系，它相對(duì)于慣性系有一個(gè)向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個(gè)向下的“慣性力”，正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對(duì)于斧柄前進(jìn)了一段位移，從而使斧頭在斧柄上套牢。如果一定要以地面為參照系來看斧頭在斧柄上套牢的問題，那么可以這樣認(rèn)為：雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過程中沒有受到除重力以外的向下的另外力，但相對(duì)于地面而言斧頭具有一定的動(dòng)能和重力勢(shì)能，正是這個(gè)能量克服了阻力作功從而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以從效果上看，一是斧頭相對(duì)于斧柄向下移動(dòng)了一段位移，二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。如果僅從動(dòng)力學(xué)的角度來看，斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時(shí)間（或所通過的位移）所共同決定的，也就是說它和斧頭相對(duì)于斧柄的動(dòng)能或動(dòng)量變化有關(guān)。斧柄在“水泥地面”上“撞擊”這兩個(gè)條件只是使斧柄產(chǎn)生了相對(duì)于水泥地面的較大的動(dòng)量變化率，從而也使斧頭具有了相對(duì)于斧柄的慣性力。但是，雖然這個(gè)慣性力構(gòu)成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因，可嚴(yán)格地說，斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關(guān)系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時(shí)間也大有關(guān)系，因而，撞擊“幾下”也是一個(gè)非常重要的條件。例3小車上豎直放置一個(gè)木塊，讓木塊隨小車沿著桌面向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車被檔板制動(dòng)時(shí)，車上的木塊向右傾倒。這是怎么回事呢？（11）教科書上的答案是這樣的：小車突然停止的時(shí)候，由于木塊和小車之間的摩擦，木塊的底部也隨著停止，可是木塊的上部由于慣性要保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以木塊向右傾倒。事實(shí)上，本例中小車上木塊的傾倒是由于力矩作用的緣故。若以地面為參照物，小車對(duì)木塊的摩擦力對(duì)木塊的重心而言有一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩，從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物，小車被檔板制動(dòng)時(shí)已是一個(gè)非慣性系，作用在木塊（重心）上的“慣性力”對(duì)木塊的底端也產(chǎn)生一個(gè)使木塊作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩。需要指出的是，在上述例2和例3中，斧頭在斧柄上套牢和木塊在小車上傾倒已是一個(gè)涉及物體在非慣性系中的動(dòng)力學(xué)的問題。其中例2是非慣性系中的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)問題，而例3則是非慣性系中的剛體動(dòng)力學(xué)問題?？墒牵诜菓T性系中，我們通常意義上所論述的牛頓第一定律已不成立，從而也失去了此兩例的代表意義。也就是說，這兩個(gè)例子不僅是不準(zhǔn)確的解釋而且是不適當(dāng)?shù)睦印Ｔ谏婕皯T性的問題上我們必須分別那些是屬于慣性現(xiàn)象，而那些則不屬于慣性現(xiàn)象即為動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。牛頓的例子，毫無疑問是正確的（12），但我們?cè)S多的物理學(xué)工作者卻將慣性對(duì)事物的解釋范圍作了相當(dāng)隨意而并不恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展或扭曲。其實(shí)在講述慣性時(shí)，用不著舉更新鮮的特別例子，倒是需指出慣性使我們對(duì)事物常態(tài)的存在方式太熟視無睹了。這里問題的關(guān)鍵在于，慣性不是使物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（使火車制動(dòng)、使斧頭套牢在斧柄上、使小木塊傾倒）的原因。嚴(yán)格地說，這些原因和物體的慣性無關(guān)，只和力有關(guān)，而至于火車制動(dòng)得及時(shí)不及時(shí)，斧頭套在斧柄上牢不牢，小木塊傾倒得快不快，則不僅與力有關(guān)，還和物體的質(zhì)量、形體、初速度有關(guān)。但即使如此地與質(zhì)量和初速有關(guān)卻也與慣性無關(guān)。慣性，這個(gè)我們通常認(rèn)為是由物體內(nèi)在因素決定的性質(zhì)，其實(shí)是物體存在方式的一種條件性：“試取汽車為參考系統(tǒng)來研究當(dāng)汽車急劇剎車的時(shí)候，車中乘客有向前傾倒的傾向這個(gè)問題，在汽車急劇剎車前，相對(duì)于汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時(shí)，乘客突然向前傾，這就是說，以汽車為參考系統(tǒng)，乘客由靜止而突然向前傾，并不保持其靜止?fàn)顟B(tài)，并不表現(xiàn)出慣性”（13）。這個(gè)條件就是：物體要表現(xiàn)出慣性，它必須處于慣性參考系中。而“事物的存在頑強(qiáng)地延續(xù)維持不變,無論運(yùn)動(dòng)是快是慢抑或停止?！保?4）也只在慣性系中才成立。在研究物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，慣性系總有著特殊的地位?？墒?，這個(gè)特殊地位的存在并不單單是人類抽象理性的功勞,并不是人類貪懶和間集化的一個(gè)報(bào)應(yīng)，慣性系的存在有其形而上的基礎(chǔ)：自然之美的呈現(xiàn)及人對(duì)自然之美呈現(xiàn)體認(rèn)的同一性。如果沒有了存在的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性，我們選取的相對(duì)于地面作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系對(duì)研究動(dòng)力學(xué)問題而言也就將成為一個(gè)畸形的怪胎。慣性系不僅在計(jì)算上向人類提供了聯(lián)系物體的相互作用與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的便利方式，其更根本的是它使人與存在的關(guān)系成為審美性的。慣性定律給我們的啟示是：存在是美的。而慣性系則是自然對(duì)人的一個(gè)饋贈(zèng)。也因而，我們應(yīng)當(dāng)從審美的視角來看待慣性，而不應(yīng)當(dāng)將它看成一個(gè)惡魔或一件便宜貨。所有的老師都要求學(xué)生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當(dāng)我們的老師用動(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)或作勻速直線運(yùn)動(dòng)?？墒?，僅依據(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（15）即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今來曰宙”.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（16）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（17）。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（18）。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)在目的論從而建立新力學(xué)的形而上基礎(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