物理學論文-論 慣 性.doc

物理學論文-論慣性摘要:對經(jīng)典力學范圍內現(xiàn)行的慣性觀提出了不同的看法，認為對于慣性要區(qū)分：個別研究對象的性質與存在的性質；保持某種狀態(tài)的性質與改變某種狀態(tài)的性質；物理學規(guī)律的動力學特性與審美性。關鍵詞:慣性；存在；時間；空間慣性是經(jīng)典力學中的一個基本概念，同時它又是人們日常生活中的一個基礎性觀念，并且慣性問題也是經(jīng)常被物理學界討論的一個話題（1）?？墒?，盡管經(jīng)典力學經(jīng)過了漫長的發(fā)展時期，大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性（2），本文試從幾個方面對慣性進行了討論，望引起大家的共識。一、慣性的意義大家知道，慣性是物體保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質（3）。一個物體，只要不受外力作用，原來靜止的就會一直靜止下去，而原來運動的則會一直作勻速直線運動。這里的問題在于：慣性是否是物體的性質？依據(jù)牛頓第一運動定律，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，因為這一性質是一切物體所具有的，也就是說它與物體的個別特征無關。因而，慣性只能是存在的一個特征，是被研究對象周圍的環(huán)境在此對象上的表現(xiàn)。換一句話說，它是存在于物體周圍的一種條件，一種約束。二十世紀初，德國數(shù)學家諾特爾（4）證明了：空間平移對稱性導致動量守恒、空間轉動對稱性導致角動量守恒、而時間均勻性導致能量守恒。事實上，物體的慣性是時間均勻性與空間對稱性的必然結果。因而它與個別的特殊研究對象無關。慣性不是個別存在物的性質，個別存在物只是慣性的顯現(xiàn)者，慣性的本質與個別存在物的特性無關。從而我們就不能用反映個別存在物性質的量（例如質量）來測度慣性。因為慣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。二、慣性與物體運動狀態(tài)變化的難易程度無關通常認為質量是物體慣性大小的量度是據(jù)于這樣的理由：質量大的物體在相同的力作用下其運動狀態(tài)不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結論。而事實上物體運動狀態(tài)是否變化，物體運動狀態(tài)的變化是難還是容易是與慣性無關的。慣性所揭示出的物體之性質不在于其使（或抗拒）物體運動狀態(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)（靜止或勻速直線運動）的本領：在最相似的物之間，錯覺說著最巧妙的謊；最小的罅隙是最難度（5）。因而慣性與物體的質量無關。倘若慣性與物體的質量有關的話，則我們也可以說力與慣性也有關系。因為對于相同質量的物體而言，力越小其運動狀態(tài)就越難改變。因而，也即力越小物體的慣性越大。事實上，在慣性概念發(fā)展的最初時期，牛頓就將慣性與力進行等價的思考，當然現(xiàn)在大家知道牛頓的把慣性等同于力的思想是錯的了。如果要說質量與慣性確有聯(lián)系的話，作者以為也只能從這樣的一個視角來看：慣性是由其表現(xiàn)物體周圍存在著的與時空有關的天體質量分布情況決定著的性質。這是因為，根據(jù)廣義相對論，空間的性質是由天體質量的分布所決定的。至于時間，自從奧古斯?。?）提出“什么是時間？”以來，人們還沒有認清它的真面目，也因而從更深的層次上而言，人們只認識到什么是慣性而還沒有搞清慣性是什么。慣性不是一種由個別物體自身所具備的原因（誠然，所有物體均會表現(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，事實上，它是存在之美感的綻開。因而“慣性是物體對任何改變其運動狀態(tài)的外來作用的阻抗的性質”（7）這樣一種說法就是不當?shù)摹Ｒ驗檫@一注釋還是從對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慣性與物體質量等價的認同感。其實，慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在之性質，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。靜止的永遠靜止，運動的永遠作勻速直線運動，慣性就是將存在如此單調而重復地顯現(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?shù)脑庌q行為。可是這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制動常造成交通事故。所以，在城市的市區(qū)，對機動車的車速都有一定的限制，以利于行車安全。（9）在這里，不能及時制動是由于慣性還是由于制動力不夠大？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，由于車輛質量較大，而相應的制動力在如此質量的物體上所產(chǎn)生的加速度很小，不能使車輛很快地減速，從而在短時間內停下來。倘若對于質量較大的車輛來說制動力也允許更大，那么作者認為還是可以在一定的時間內制動車輛的。并且，這個例子中的“高速行駛的車輛”及“對機動車的車速都有一定的限制”的字句很容易使學生認為慣性和物體的運動速度有關。這對于初學者來說是一個很大的誤導。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）通常標準答案是這樣的：開始斧頭和斧柄同時向下運動，當斧柄遇到障礙物時突然停止，而斧頭由于慣性保持原來的運動狀態(tài)，這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。事實上，斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對于斧柄運動了一段位移，而慣性不是克服某種阻力使斧頭運動的原因。在此問題中的一個效果是斧頭相對于斧柄產(chǎn)生了某種（克服一定力的）運動，因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運動的實質。當以斧柄為參照時，實際上斧柄在撞擊的過程中是一個非慣性系，它相對于慣性系有一個向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個向下的“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于斧柄前進了一段位移，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，但相對于地面而言斧頭具有一定的動能和重力勢能，正是這個能量克服了阻力作功從而轉化為內能。所以從效果上看，一是斧頭相對于斧柄向下移動了一段位移，二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。如果僅從動力學的角度來看，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間（或所通過的位移）所共同決定的，也就是說它和斧頭相對于斧柄的動能或動量變化有關。斧柄在“水泥地面”上“撞擊”這兩個條件只是使斧柄產(chǎn)生了相對于水泥地面的較大的動量變化率，從而也使斧頭具有了相對于斧柄的慣性力。但是，雖然這個慣性力構成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因，可嚴格地說，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系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時間也大有關系，因而，撞擊“幾下”也是一個非常重要的條件。例3小車上豎直放置一個木塊，讓木塊隨小車沿著桌面向右運動，當小車被檔板制動時，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動狀態(tài)，所以木塊向右傾倒。事實上，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，小車對木塊的摩擦力對木塊的重心而言有一個順時針旋轉的力矩，從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物，小車被檔板制動時已是一個非慣性系，作用在木塊（重心）上的“慣性力”對木塊的底端也產(chǎn)生一個使木塊作順時針旋轉的力矩。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涉及物體在非慣性系中的動力學的問題。其中例2是非慣性系中的質點動力學問題，而例3則是非慣性系中的剛體動力學問題?？墒?，在非慣性系中，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，這兩個例子不僅是不準確的解釋而且是不適當?shù)睦?。在涉及慣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)象即為動力學現(xiàn)象。牛頓的例子，毫無疑問是正確的（12），但我們許多的物理學工作者卻將慣性對事物的解釋范圍作了相當隨意而并不恰當?shù)臄U展或扭曲。其實在講述慣性時，用不著舉更新鮮的特別例子，倒是需指出慣性使我們對事物常態(tài)的存在方式太熟視無睹了。這里問題的關鍵在于，慣性不是使物體改變運動狀態(tài)（使火車制動、使斧頭套牢在斧柄上、使小木塊傾倒）的原因。嚴格地說，這些原因和物體的慣性無關，只和力有關，而至于火車制動得及時不及時，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，還和物體的質量、形體、初速度有關。但即使如此地與質量和初速有關卻也與慣性無關。慣性，這個我們通常認為是由物體內在因素決定的性質，其實是物體存在方式的一種條件性：“試取汽車為參考系統(tǒng)來研究當汽車急劇剎車的時候，車中乘客有向前傾倒的傾向這個問題，在汽車急劇剎車前，相對于汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時，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，并不保持其靜止狀態(tài)，并不表現(xiàn)出慣性”（13）。這個條件就是：物體要表現(xiàn)出慣性，它必須處于慣性參考系中。而“事物的存在頑強地延續(xù)維持不變,無論運動是快是慢抑或停止?！保?4）也只在慣性系中才成立。在研究物體的運動學與動力學問題時，慣性系總有著特殊的地位?？墒牵@個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報應，慣性系的存在有其形而上的基礎：自然之美的呈現(xiàn)及人對自然之美呈現(xiàn)體認的同一性。如果沒有了存在的時間均勻性與空間對稱性，我們選取的相對于地面作勻速直線運動的參考系對研究動力學問題而言也就將成為一個畸形的怪胎。慣性系不僅在計算上向人類提供了聯(lián)系物體的相互作用與相對運動的便利方式，其更根本的是它使人與存在的關系成為審美性的。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人的一個饋贈。也因而，我們應當從審美的視角來看待慣性，而不應當將它看成一個惡魔或一件便宜貨。所有的老師都要求學生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當我們的老師用動力學的觀點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候，對學生的這一期望是合適的嗎？其實這是一個誤區(qū)：當教完一些物理學的基本概念與規(guī)律以后，就要求學生用它們解釋自然現(xiàn)象。事實上，物理學中有些基本概念與規(guī)律不是要求我們去解釋自然現(xiàn)象，它沒有這個功能，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系當物體所受的合外力為零時，從牛頓第二定律可知物體處于靜止狀態(tài)或作勻速直線運動?？墒?，僅依據(jù)這一點卻不能認為牛頓第一定律是牛頓第二定律的一個特例。因為這兩個定律的論述對象其實是不一樣的。牛頓第二定律的研究對象是一個物體，而牛頓第一定律論述的是整個存在的性質。慣性這個任何物體均具有的性質其實不是我們的個別研究對象所具有的性質，因為這個“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，是存在著的時空的特性，是宇宙的特性。其次，牛頓第二定律是關于個別物體因果性的規(guī)律，而牛頓第一定律卻與個別物體的因果性無關，它是存在之狀態(tài)的表述，它的表述是與具體的特定的時間無關的、瞬時性的。正是這種非時間性（16）構成了牛頓力學的本質特征。也正是牛頓第一定律所成立的時間均勻性與空間對稱性構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力學關系。因為毫無疑問，物體的運動性質和規(guī)律與采用怎樣的空間和時間來度量有著密切的關系（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)行的動力學規(guī)律正是牛頓第一定律所揭示的存在之性在具體的個體事物上的展現(xiàn)。慣性定律比牛頓第二定律具有更強的基礎性。也就是說，正是慣性現(xiàn)象，構成了牛頓動力學所以成立的操作平臺。由于物體在不受外力作用下保持其速度不變，因而物體運動速度的變化才跟物體的受力相關。最后，牛頓把慣性定律放在三個運動定律的首位也是與其對自然的信仰因素有關的。因為在文藝復興之前的絕大部分思想家繼承了亞里士多德關于物體運動內在決定論的觀點。但在牛頓看來，基本的物質粒子完全是惰性的，沒有任何自發(fā)的運動，而電、磁、光這些非物質的力量則成為神在自然中的行動的載體（18）。也就是說，慣性定律內隱含著牛頓否定亞里士多德運動觀的內在目的論從而建立新力學的形而上基礎。四、慣性與具體物體的質量無關從上面的討論可以看出：“質量是物體慣性大小的量度”這個論題，在幾個角度去看都是錯誤的。第一，質量不是物體慣性大小的量度。個別研究對象的質量與其所揭示的慣性毫無關聯(lián)。因為這兩者從數(shù)量上來看是一對無窮大的關系，從內容上來看是個體與存在的關系，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)，因為慣性不是物體的性質。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)，因為慣性沒有大小，慣性只是存在的一種表達方式，一種特定狀態(tài)的顯現(xiàn)。第四，既然慣性并無大小，我們也不可去進行量度，事實上，任何一本教科書上也沒有指出慣性與質量的函數(shù)關系，因為這一函數(shù)關系并不存在，它只是人們的一個虛假的邏輯推測，誰也不能證明質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)，因為這些關系均是虛假的。因而，物理學界流傳的物