論慣性的本質(zhì)及意義

論慣性的本質(zhì)及意義摘要：慣性是物理學中最基本的概念之一，也是學習物理學最早遇到的概念之一。這一極為普通和平凡的概念曾經(jīng)引導許多物理學家深入思考和剖析，促進物理學重大進展，其中蘊涵著深刻的物理思想和豐富的物理學研究方法的教益，是培養(yǎng)學生科學地思考問題的能力非常有效的素材。關(guān)鍵詞：慣性；特性；規(guī)律引言慣性是經(jīng)典力學中的一個基本概念，同時它又是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€基礎(chǔ)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?？墒?，盡管經(jīng)典力學經(jīng)過了漫長的發(fā)展時期，在我國當今物理學界，大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性，本文試從幾個方面對慣性進行了討論，望引起大家的共識。一、慣性概念的產(chǎn)生及發(fā)展慣性一般是指物體不受外力作用時，保持其原有運動狀態(tài)的屬性。人們對于慣性這一認識有賴于慣性定律的建立，而它則依賴于對于力的認識以及區(qū)分運動狀態(tài)和運動狀態(tài)改變的認識，這一點在人類認識發(fā)展史上經(jīng)歷了漫長的歲月。在人類思想史上，兩千多年前希臘的哲學家亞里士多德的學說無疑地起過廣泛的影響，然而他關(guān)于物理學的論述，許多都是錯誤的。他把物體的運動分為自然運動和強制運動。他認為圓周是完善的幾何圖形，圓周運動對于所有星體都是天然的，因而是自然運動；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動也是自然運動；其他所有形式的運動則都是強制運動。他還進而指出，關(guān)于物體的強制運動，只有在外力的不斷作用下才能發(fā)生；當外力的作用停止時，運動也立即停止。從這里可以看出亞里士多德肯定了兩點：一，自然運動不涉及曳力的問題，只有強制運動才存在力的問題；二、力是物體強制運動的原因。從今天來看，這顯然是錯誤的，然而它束縛了人們近兩千年。從這種把物體的運動歸結(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》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，要使它運動就不需要力，最小的動力就足以使它有無限的速度，但由于天體公轉(zhuǎn)需要用一定的時間，有的長些，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)\動的阻力是物質(zhì)的一種特性，在給定的體積中，物質(zhì)的量愈多，慣性愈強?！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)認識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，不可能思考運動物體是否具有慣性的問題。伽利略開創(chuàng)了實驗和理性思維相結(jié)合的近代物理研究方法，并用于研究物體的運動。他對于亞里士多德關(guān)于物體運動的粗糙的日常觀察、抽象的猜測玄想和想當然的思辨推理十分不滿，他通過科學實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討的了。例如：一個物體，如果沒有受到其他物體的作用，它就保持自己的靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)。這樣的陳述可能離慣性定律的本義較遠，因為這一陳述的方式是在動力學的維度上來進行的，陳述的對象是“一個物體”。這和牛頓第二定律的研究對象是一致的，這樣方式的陳述毫無疑問地可以把慣性定律認為是牛頓第二定律的一個特例，因為“如果沒有”這幾個字就表達了陳述事件的某種特殊性。三、慣性定律與牛頓第二定律的關(guān)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。可是，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(zhì)。慣性——這個任何物體均具有的性質(zhì)其實不是我們的個別研究對象所具有的性質(zhì)，因為這個“任何物體”，包括了天地間的萬物，而萬物的總稱即是宇宙：“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(guān)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(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間無關(guān)的、瞬時性的。正是這種非時間性構(gòu)成了牛頓力學的本質(zhì)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(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力學關(guān)系。因為毫無疑問，物體的運動性質(zhì)和規(guī)律與采用怎樣的空間和時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(chǔ)性。也就是說，正是慣性現(xiàn)象，構(gòu)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(guān)。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(guān)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(guān)于物體運動內(nèi)在決定論的觀點。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)的運動，而電、磁、光這些‘非物質(zhì)’的力量則成為神在自然中的行動的載體。也就是說，慣性定律內(nèi)隱含著牛頓否定亞里士多德運動觀的內(nèi)在目的論從而建立新力學的形而上基礎(chǔ)。四、慣性的意義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(zhì)。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(zhì)？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(zhì)，因為這一性質(zhì)是一切物體所具有的，也就是說它與物體的個別特征無關(guān)。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。質(zhì)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(jié)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(guān)的。慣性所揭示出的物體之性質(zhì)不在于其使物體運動狀態(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(lǐng)五、慣性與能量對于慣性認識的一個重要進展是慣性與能量的關(guān)系。能量是物理學里普遍關(guān)注的問題。運動的物體有動能；相互作用的物體有勢能，如重力勢能、引力勢能、電勢能等等；其他還有熱能等等。在研究彈性變形體和流體的運動時，人們認識到經(jīng)受應(yīng)力的物體的勢能分歸屬于物體的每一部分，而流體的輸運則伴隨有能量的傳送。麥克斯韋電磁場理論建立和被赫茲電磁波實驗證實之后，人們認識到電磁作用是通過場實現(xiàn)的，電磁場的實在性在認識上開始形成，場中不僅貯存有能量，能量的傳送也是通過場來傳輸?shù)?，即存在能流：能流與場的動量聯(lián)系在一起。人們研究電子的運動，運動電子周圍存在變化的電場，變化的電場又產(chǎn)生磁場，兩者的共存又導致存在能流和動量，它們同電子的速度平行。因此這一附加的動量意味著電子存在附加的慣性質(zhì)量。有一時期，甚至有人猜測可能電子的全部質(zhì)量來源于電磁場。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)表狹義相對論，這是一個嶄新的物理理論，它統(tǒng)一了力學理論和電磁學理論，帶來了時空觀的根本變革。愛因斯坦隨后證明質(zhì)能關(guān)系，E=mc2，一定的質(zhì)量對應(yīng)于一定的能量，反之一定的能量對應(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)系起來的認識。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于慣性的認識，也拓寬了對于能量的認識。它帶來的重大實用價值就是核能的釋放。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識許多物理現(xiàn)象，包括涉及物質(zhì)的全部質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)化的正反粒子對的產(chǎn)生和湮沒過程。六、慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量發(fā)展一種新的理論，僅有哲學上的啟迪和對于舊理論的批判是不夠的，還需尋找建立新理論的突破口。愛因斯坦建立廣義相對論的突破口來自三百年前伽利略的另一項重要貢獻。伽利略在他的《關(guān)于力學和運動兩門新科學的對話》中寫道：“我曾經(jīng)做過試驗，可以向你保證，從200肘尺高處放下的一顆一兩百磅甚至更重的炮彈，不會比一同放下的僅重半磅的槍彈到達地面要領(lǐng)先一秒鐘?！边@段敘述表明所有物體的重力加速度相同。亞里士多德曾根據(jù)他的運動風，重物下落是物體回歸天然位置的自然運動，物體越重，趨向天然位置的傾向就越大，自然得出物體越重，下落得越快。伽利略反對亞里士多德的運動知識化，他以實驗事實作了不力的反駁。然而他并同有認識到這條定律的深刻含義。所有物體的重力加速度均相同，反映的是任何物體的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等。根據(jù)牛頓定律，作用在物體上的外力等于物體的質(zhì)量乘以獲得的加速度，這里的質(zhì)量是物體的慣性質(zhì)量；另一方面，物體下落時，作用在物體上的力是地球?qū)λ奈?，它與物體的引力質(zhì)量成正比。既然物體在重力作用下加速度不依賴于物體，則引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量成正比；選取相同的單位，兩者相等。七、結(jié)束語慣性是具有保持原有運動狀態(tài)的屬性，不僅靜止的物體具有慣性，運動的物體也具有慣性；物體慣性的大小用其質(zhì)量大小來衡量。正是慣性現(xiàn)象，構(gòu)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(guān)。參考文獻：[1]鄒榮.質(zhì)量是物體慣性大小的量度嗎?新世紀教育文集.中國廣播電視出版社，2000，11，1版，454.[2]鄧昭鏡.鄧玉蘭.質(zhì)量是慣性的量度,還是物質(zhì)之量的量度.物理