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(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。關(guān)鍵詞：慣性；特性；規(guī)律引言慣性是經(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。可是，盡管經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過了漫長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)期，在我國(guó)當(dāng)今物理學(xué)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(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(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)有賴于慣性定律的建立，而它則依賴于對(duì)于力的認(rèn)識(shí)以及區(qū)分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的認(rèn)識(shí)，這一點(diǎn)在人類認(rèn)識(shí)發(fā)展史上經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歲月。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。”“慣性，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)。”這大概是關(guān)于物體慣性的最早陳述。可以看出開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)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(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。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：“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)在目的論從而建立新力學(xué)的形而上基礎(chǔ)。四、慣性的意義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。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)五、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。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(xué)上的啟迪和對(duì)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(duì)論的突破口來自三百年前伽利略的另一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)。伽利略在他的《關(guān)于力學(xué)和運(yùn)動(dòng)兩門新科學(xué)的對(duì)話》中寫道：“我曾經(jīng)做過試驗(yàn)，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(huì)比一同放下的僅重半磅的槍彈到達(dá)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(yùn)動(dòng)風(fēng)，重物下落是物體回歸天然位置的自然運(yùn)動(dòng)，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(duì)亞里士多德的運(yùn)動(dòng)知識(shí)化，他以實(shí)驗(yàn)事實(shí)作了不力的反駁。然而他并同有認(rèn)識(shí)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(shí)，作用在物體上的力是地球?qū)λ奈Γc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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性，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。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)。參考文獻(xiàn)：[1]鄒榮.質(zhì)量是物體慣性大小的量度嗎?新世紀(jì)教育文集.中國(guó)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