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論慣性的本質(zhì)和起源
論文關(guān)鍵詞：慣性
大家知道：物體自身的重力，也就是牛頓用他的萬有引力定律雄辯的證明了的地球作用于物體的引力，從古至今就一直客觀的存在著。然而，由于牛頓是在伽利略、笛卡兒等人的基礎(chǔ)上首先建立了三大運動定律，然后才運用第二運動定律和開普勒行星運動第三定律導(dǎo)出了引力定律，再然后牛頓才逐漸地認識到了引力的“普遍性”或“萬有性”。所以說，牛頓運動定律自然就沒有體現(xiàn)出物體自身的引力亦即重力這一作為內(nèi)因的內(nèi)力與物體運動的重要關(guān)系。因此，由牛頓運動定律給出的物體運動與力的關(guān)系以及牛頓運動定律本身，就不是最完美，最科學(xué)的終極真理，而是在一定的客觀歷史條件下人類所達到的帶有邏輯思維漏洞的，對客觀事物一定程度、一定層次的相對正確的反映，它們是可以深化、發(fā)展和進一步完美、完善的。
大家知道：力學(xué)是物理學(xué)中發(fā)展最早的一個分支，它和人類的生活與生產(chǎn)聯(lián)系最為密切。和物理學(xué)的其他部門相比，力學(xué)的研究經(jīng)歷了更為漫長的過程，幾達兩千年之久，才由伽利略把科學(xué)思維和實驗研究結(jié)合到一起，為力學(xué)的發(fā)展開辟了一條可行的道路。牛頓在此基礎(chǔ)上最終建立的經(jīng)典力學(xué)體系不愧為全部自然科學(xué)的主導(dǎo)和領(lǐng)軍學(xué)科。然而，牛頓為后人也留下了太多的難題。
引力的本質(zhì)和作用機制是什么？
慣性的本質(zhì)是什么？是怎樣起源的？
同一物體的慣性質(zhì)量與它的引力質(zhì)量為何相等？
后來發(fā)現(xiàn)的庫侖定律與萬有引力定律為何如此的十分相似？它們的相似是科學(xué)上的一種巧合？還是在更深奧的本質(zhì)上存在著內(nèi)在的邏輯上的聯(lián)系？
……
“有待探索的真理的海洋”一直展現(xiàn)在牛頓和他的追隨者的面前。
后來人總要吸收前人的聰明才智，因而人類的認識總是要向上發(fā)展的。只要我們從本文開頭所列舉的事實中敢于懷疑并大膽的確認牛頓運動定律是非終極真理，并能夠正確的運用更輝煌、更偉大的牛頓引力理論的巨大成就，修補運動定律的邏輯思辨漏洞，力學(xué)中很多重要的基礎(chǔ)理論問題其實也不難解決。
讓我們先從慣性定律談起。
大家都很清楚，今天的力學(xué)教材中普遍就是這樣闡述的：伽利略首先發(fā)現(xiàn)，運動物體之所以會停下來，是因為受到了摩擦阻力的緣故，他根據(jù)從斜面實驗中得到的近似的結(jié)論進一步作了合理的推想之后而斷言：一旦物體具有某一速度，只要沒有加速或減速的原因，此物體將永遠以這一速度運動下去。伽利略的這個從理想實驗中得到的結(jié)論隔了一代以后由牛頓把它寫成了慣性定律——牛頓力學(xué)理論大廈的基礎(chǔ)。
在慣性定律的基礎(chǔ)上，牛頓根據(jù)兩個實驗結(jié)論，即加速度與外力的正比關(guān)系和加速度與質(zhì)量的反比關(guān)系，進一步建立了第二運動定律。
牛頓力學(xué)巨大的歷史功績和其自身的輝煌成就無庸質(zhì)疑。然而，牛頓運動定律為何又無法明確的說明習(xí)以為常的慣性的本質(zhì)和起源呢？
愛因斯坦在《物理學(xué)的進化》一書中談到：“一輛四匹馬駕的車比一輛兩匹馬駕的車運動得快一些。”同樣：一輛四匹馬駕的空車比車上裝滿重物時跑得快。這樣，直覺告訴人們，物體運動的狀態(tài)根作用外力有關(guān)，同時的確還跟自身的重力即引力有關(guān)。
牛頓運動定律告訴人們，質(zhì)量大的物體慣性大，質(zhì)量是物體慣性大小的量度。我們應(yīng)該清楚，慣性概念來源于人類的生活實踐，在慣性定律建立之前早就產(chǎn)生了，在古希臘時代就已經(jīng)存在，春秋戰(zhàn)國時期，我國偉大的《墨經(jīng)》一書就對運動的相對性……慣性等物理現(xiàn)象作了分析說明。今天的人們根據(jù)牛頓萬有引力定律知道：在地球表面，凡有質(zhì)量的物體因其自身的引力必然具有重力這一內(nèi)力。重力、引力是任何物體必然自身攜帶的內(nèi)力，是物體的共性，是和物體的質(zhì)量不可分離的內(nèi)稟性質(zhì)。物體的這一作為內(nèi)因的內(nèi)力時時刻刻都在參與制約著物體自身的運動行為，因此拋開物體自身的引力、重力這一內(nèi)因來談?wù)撐矬w慣性的本質(zhì)和起源，就是毫無意義的。大家清楚，質(zhì)量大的物體重量也大。在相同外力的推動下，重的物體不易起動，慣性大；輕的物體易起動，慣性小�？梢姡亓客瑯涌梢杂脕砹慷任矬w的慣性。
如果物體的慣性果真是由物體的引力本性引起的。那么，在建立的過程中，由于伽利略—牛頓當時根本沒有引力觀念而將物體自身的引力、重力這一內(nèi)因與物體運動的這一層關(guān)系排除在外的，帶有邏輯思維漏洞的牛頓運動定律自然就無能為力將物體慣性的本質(zhì)和起源看成是由物體的引力本性引起的。
那么，無法說明慣性的本質(zhì)和起源，帶有邏輯思維漏洞的牛頓第二定律——動力
學(xué)方程，又為何能夠成為人類認識自然、改造自然的強大武器呢？
大家清楚：根據(jù)牛頓后來發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律我們明確的知道，在地球表面的同一地方，任何物體的質(zhì)量與它的重量嚴格的成正比。因此，如果物體的慣性是由物體的引力產(chǎn)生和決定的。那么，在近代物理科學(xué)普遍采納的數(shù)理邏輯的基礎(chǔ)上，在一定的客觀歷史認識水平的局限下，牛頓借用質(zhì)量概念或者借用重量概念來建立動力學(xué)方程，在數(shù)學(xué)效果上必然就是完全等效的。但質(zhì)量的本質(zhì)含義是指物體所含物質(zhì)的多少，而重量是物體受到的重力即地球引力的量度。所以，如果牛頓是借用重量概念建立了第二運動定律，那么在萬有引力定律被發(fā)現(xiàn)后，人們知道了重力與引力的關(guān)系后，自然就會把慣性的本質(zhì)和起源歸結(jié)到物體的引力本性上來。
但是，由于在伽利略和牛頓建立運動定律的時代，人類還沒有能夠從引力的這一高度明確地認識到重力是自然界物體本身所固有的屬性，是物體無法回避而必須要受到的制約物體運動狀態(tài)的內(nèi)力。因此，牛頓的思維就仍然的受到了傳統(tǒng)觀念的影響；既然在第一定律的意義下把慣性看成是物體在不受力時所具有的保持原來運動狀態(tài)的屬性，那么牛頓就自然而然的“蔑視”了輕物體容易起動，重物體不易起動的事實，拋開了物體自身的重力對運動的制約作用，引進了質(zhì)量的概念，建立了動力學(xué)方程。這樣， 牛頓第二定律在第一定律的基礎(chǔ)上就仍然的把物體慣性的產(chǎn)生機制——重力、引力排除在運動定律之外了。質(zhì)量這一物理量的本質(zhì)含義是指物體所含物質(zhì)多少的量度。既然物體的重力、引力客觀存在，那么任何物體所含的物質(zhì)內(nèi)部必然存在著可以持續(xù)不斷的產(chǎn)生和接受引力的機制，因此，質(zhì)量大的物體引力也大。如果物體的慣性是由引力產(chǎn)生的，質(zhì)量大的物體所含的物質(zhì)多，產(chǎn)生的引力就大，因而慣性也大。因此利用質(zhì)量概念建立的動力學(xué)方程就無法說明慣性的本質(zhì)和起源。同樣，利用動力學(xué)方程和開普勒第三定律導(dǎo)出的引力定律也無法說明引力的作用機制。所以說，動力學(xué)方程就是數(shù)學(xué)
意義明確，物理終極意義模糊，在“只知其然而不知其所以然”的數(shù)理邏輯的指導(dǎo)作用下建立的非終極真理——物理實驗定律。
我們看到：在慣性定律建立的過程中，摩擦力是一個非常特殊的至關(guān)重要的概念。顯然，伽利略和牛頓都認為，使運動物體減速的原因——摩擦力，跟物體受到的拉力或推力一樣，也是物體受到的外力。事實上，摩擦力根本不同于物體受到的拉力或推力等外力。摩擦力也和重力、引力一樣，質(zhì)量是決定它的大小的最主要的因素。比如，一輛汽車受到的摩擦力往往大于一輛人力車受到的摩擦力。但一個物體受到的其他物體施加給它的拉力或推力等外力的大小單純由外在因素所決定，與物體本身的質(zhì)量的大小等物理屬性毫無關(guān)系。大家應(yīng)該清楚，摩擦力有一個經(jīng)驗公式——摩擦力的大小等于物體對地面的正壓力乘以摩擦系數(shù)。而一般情況下，即沒有特殊的外因增加正壓力時，物體對地面的正壓力其實正好就是物體自身的重力，于是摩擦力與重力、引力嚴格的成正比關(guān)系�？梢�，摩擦力與物體的重力、引力這一內(nèi)力有著密不可分的邏輯內(nèi)在聯(lián)系。摩擦力與拉力和推力等外力的區(qū)別至少還有四個方面，在這篇廣告性的短文中也就不再多說了。總之，物體相對于靜止的大地運動時，物體自身的重力、引力是產(chǎn)生摩擦阻力的先決條件。所以在相對于靜止的地面的機械運動中，物體受到的摩擦阻力，是由物體自身的引力—重力這一內(nèi)稟性質(zhì)決定的物體的“次級內(nèi)稟性質(zhì)”，是物體的引力—重力這一作為內(nèi)因的內(nèi)力參與制約物體的運動狀態(tài)的具體表現(xiàn)形式。物體相對于靜止的大地處于靜止狀態(tài)還是運動狀態(tài)，完全就是由物體受到的拉力或推力等作為外因的外力和物體自身的主要由質(zhì)量—引力—重力決定的最大靜摩擦力這一作為內(nèi)因的內(nèi)力這兩方面的相對強弱來決定的。
現(xiàn)在，我們就可以解釋和回答爭論了三個多世紀的慣性的本質(zhì)和起源這一問題了。
今天的人們，在運動定律的基礎(chǔ)上，有了更偉大、更輝煌的牛頓引力理論作為認識自然現(xiàn)象的更重要的思想理論基礎(chǔ)。我們就
應(yīng)該清晰的看到：地球表面的物體，因其自身的引力、重力這一內(nèi)稟性質(zhì)，在地面上靜止時便產(chǎn)生了靜摩擦力。萬物正是由于自身的靜摩擦力這一內(nèi)稟性質(zhì)，防蔽了自然界的“風吹草動”等外來因素，因而物體才具備了能夠相對于地面保持靜止這一性能。一句話，靜止這一慣性特性的內(nèi)在機制歸根結(jié)底就是物體的萬有引力這一作為內(nèi)因的內(nèi)力、內(nèi)稟性質(zhì)。
物體在地面上運動的過程，也就是外力克服摩擦阻力對物體做功的過程。根據(jù)功能原理，運動物體將同時獲得一定大小的動能，物體也就相對于大地具有了一定大小的速度。運動物體所受到的外力停止作用后，動能在摩擦阻力做負功的作用下立即減小，但減至為零必有一個時間過程。因此運動物體在停止受力后并不立即轉(zhuǎn)入靜止狀態(tài)。這就是物體具備“繼續(xù)”保持其運動狀態(tài)這一慣性特性的合情合理的內(nèi)在機制。這一解釋與在牛頓運動定律的基礎(chǔ)上建立起來的功能原理、動能定理等更系統(tǒng)的力學(xué)理論是多么的協(xié)調(diào)一致，難道不算是十分完美的慣性運動的本質(zhì)和起源的正確解釋嗎？
根據(jù)運動物體所受的外力停止作用后，動能在摩擦阻力做負功的作用下立即減小這一理論上的和實踐中非常容易觀察到的事實來判斷，物體的慣性運動一定是減速運動，物體根本不可能具備由第一定律定義的在“停止受力后還能保持勻速直線運動的狀態(tài)” 這樣的性能。所有的力學(xué)教科書在講述了第一運動定律之后，立即便對慣性下了這樣的定義：“物體的這種保持原來的勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質(zhì)叫做慣性。”并進一步寫道：（所以）牛頓第一定律又叫做慣性定律。
我們已經(jīng)說過，慣性概念來源于生活實踐，它在第一定律建立之前早就已經(jīng)產(chǎn)生了。用力推、拉物體或小車之后，靜止的物體或小車開始運動；停止推、拉的作用后，物體或小車因“慣性”而運動。這恐怕就是產(chǎn)生慣性概念的最初源泉。所以，慣性首先應(yīng)該就是物體可以表現(xiàn)出來的，我們?nèi)祟惔_確實實能夠感受到的物體的習(xí)以為常的性能。牛頓第一定律所講的只是一種想象中的理想化了的狀態(tài)。物體不可能處于理想化的狀態(tài)中，因此物體也就無法表現(xiàn)出由牛頓第一定律定義的那樣的慣性。那么？人們?yōu)楹斡忠鶕?jù)牛頓第一定律來定義慣性的標準概念，并反過來根據(jù)慣性的“標準定義”又將第一定律提升為“慣性定律”呢？這個緊密聯(lián)系著長達二千多年的歷史認識過程的問題在這篇廣告性的“短文”中就不再闡述了。
正因為第一定律描述的只是一種理想化了的狀態(tài)，因此第一定律從本質(zhì)上講就是一座“空中樓閣”。但建立 “慣性定律”這座空中樓閣是力學(xué)發(fā)展的必經(jīng)之路。當力學(xué)從古代的靜力學(xué)進入到近代的靜力學(xué)并由伽利略將它發(fā)展成運動學(xué)之后，牛頓所面臨的選擇就是要尋找運動和力關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。今天的人們，在更偉大、更輝煌的牛頓引力理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)該清晰的認識到：在地表水平面上，物體的引力—重力—摩擦阻力這一作為內(nèi)因的內(nèi)力的作用，就是將物體靜止在地面上；物體可受到也可以不受的純粹由外因引起的拉力或推力等外力就是使物體運動的原因。的確，一旦承認引力—重力—摩擦阻力是物體的內(nèi)力、內(nèi)稟性質(zhì)，將物體的這一內(nèi)力包括在更科學(xué)的“物體的概念”之內(nèi)，就可以在理論上和現(xiàn)實中對勻速直線運動獲得統(tǒng)一的認識：物體的勻速直線運動需要外力來維持。綜合牛頓第二定律，我們將得到更為科學(xué)的結(jié)論：外力的作用不但體現(xiàn)為物體的加速度，而且體現(xiàn)為物體的速度。顯然，只有當物體受到某一方向的持續(xù)不斷的大于物體最大靜摩擦力的外力的作用時，物體才由靜止狀態(tài)進入到加速運動狀態(tài)；當物體加速到單位時間內(nèi)摩擦力所做的負功正好等于外力對物體所做的正功的絕對值時，物體就以此時的速度繼續(xù)做勻速直線運動。運動與力的關(guān)系是如此的復(fù)雜，然而三個多世紀之前的牛頓祖師所面臨的情況就是“巧婦難為無米之炊”。
牛頓在伽利略等人的基礎(chǔ)上建立起來的第一定律的偉大功績，恰恰是因為它適應(yīng)了當時的客觀歷史認識條件的局限性的要求。牛頓只有在第一定律中將勻速直線運動和靜止狀態(tài)放到同一高度，根據(jù)伽利略斜面實驗的近似結(jié)論，用假想的摩擦力完全不存在時的“合理結(jié)論”，將外力與勻速直線運動的這一層關(guān)系過濾掉，他才能找到在第一定律的作用下簡化了的第二定律的數(shù)學(xué)方程。否則，牛頓怎么能夠超越于日常的生活經(jīng)驗的直覺——速率主要是跟作用力有關(guān)（即愛因斯坦后來所說的“一輛四匹馬駕的車比一輛兩匹馬駕的車運動得快”）“違心”的建立作用力僅僅只跟加速度有關(guān)的第二定律的數(shù)學(xué)方程呢？
在沒有引力觀念，無法對物體的靜止狀態(tài)的深奧內(nèi)涵獲取明曉的認識，根本不可能對物體的受力情況作出完整的科學(xué)分析的歷史條件下，牛頓的思維只有蹬上“慣性定律”這座空中樓閣，巧妙地引入實際上是包括了重力、引力在內(nèi)的一切對物體的運動狀態(tài)產(chǎn)生影響的所有的環(huán)境因素的總和——合外力的概念之后，他才能“看到”簡化了的“外力”與加速度的數(shù)量關(guān)系。否則,即使牛頓再天才一倍，在當時的客觀歷史認識水平的局限下，不但不可能找到完美的精確的運動與力的數(shù)量關(guān)系，而且也不可能找到簡化了的運動與力的數(shù)學(xué)方程——牛頓第二定律。
第一定律與第二定律的這種邏輯缺漏與相互補充的關(guān)系，猶如一個雙目失明的人背著一個只有一條腿的人，兩者組成了“協(xié)調(diào)一致”的“可行走”的人。
本想寫一篇廣告性的短文，但由于本文所涉及的題材確實重大，而觀點又似乎是太“離經(jīng)叛道”，文字少了便沒有說服力，因而自然而然的寫了這么多，那就到此為止吧？關(guān)于慣性力到底是不是虛擬力，用牛頓引力理論彌補運動定律的邏輯漏洞，慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等的理由，現(xiàn)代科學(xué)中的“慣性原理”等問題的討論將在其它幾篇文章中闡述。
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