對慣性與慣性定律的理解

摘要:對經典力學范圍內現行的慣性觀提出了不同的看法，認為對于慣性要區分:個別研究對象的性質與存在的性質;保持某種狀態的性質與改變某種狀態的性質。

關鍵詞:慣性;存在;時間;空間

慣性是經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常被物理學界討論的一個話題。人們在慣性問題上所犯的錯誤認識，既來源于歷史上人們對于和慣性概念相聯結的力與物體運動關系的一貫表達方式，又來源于牛頓的表述與對于牛頓力學理解上的偏差。在牛頓所陳述的第一定律中:“每個物體都保持其靜止、或勻速直線運動的狀態，除非有外力作用于它迫使它改變那個狀態。”牛頓對“除非有外力作用于它迫使它”作出了對應的理解，即認為保持其靜止或勻速直線運動狀態的物體是有內部原因的，這個內部原因即稱為慣性，因而他才認為(慣性)大小與該物體的運動和質量有關。在牛頓以后，歐拉則將牛頓關于vis insita 的比較隱晦的注釋作了同牛頓之前的有些科學家的直感一樣的有一定危險性的表白:“慣性是物體保持靜止或保持勻速直線運動的能力……慣性的大小與質量成正比例。”從那以后到現在，人們對于慣性的理解基本上是庸俗性質的。隨著現代物理學的發展，特別是諾特爾之后，我們可以認識到使物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的原因并不在物體的內部、也跟力無關，而是由于物體所處的時間均勻性與空間對稱性。可是，盡管經典力學經過了漫長的發展時期，大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性，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或勻速直線運動狀態的性質。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做勻速直線運動。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境在此對象上的表現。換一句話說，它是存在于物體周圍的一種條件，一種約束。

二、慣性與物體運動狀態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是否變化，物體運動狀態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(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。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，在慣性概念發展的最初時期，牛頓就將慣性與力進行等價的思考，當然現在大家知道牛頓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，根據廣義相對論，空間的性質是由天體質量的分布所決定的。所有的教師都要求學生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當我們的教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:當教完一些物理學的基本概念與規律以后，就要求學生用它們解釋自然現象。事實上，物理學中有些基本概念與規律不是要求我們去解釋自然現象，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。

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或做勻速直線運動。可是，僅依據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，而萬物的總稱即是宇宙。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律與采用怎樣的空間和時間來度量有著密切的關系。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，現行的動力學規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。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。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并從而建立新力學的形而上的基礎。

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。因為這兩者從數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，因為慣性不是物體的性質。物體只是作為慣性的表現者而存在的。第三，“慣性(的)大小”這樣的說法也缺乏依據，因為慣性沒有大小，慣性只是存在的一種表達方式，一種特定狀態的顯現。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關系，因為這一函數關系并不存在，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，因為這些關系均是虛假的。因而，物理學界流傳的物體的慣性等于它的質量，只是人們一個隨心所欲的錯誤言說。

由于物體質量與慣性無關，所以，將牛頓第二定律中的質量稱為慣性質量就是不當的，質量的確對物體運動狀態的改變有一種像力一樣的阻抗作用，質量在改變物體運動的狀態上而言似乎有一種“消解”“抗拒”力的性質。因而作者認為可將現行的“慣性質量”改稱為物體的“抗性質量”。正如牛頓所說:“物體只有當有其他力作用于它，或者要改變它的狀態時，才會產生這種力。這種力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。”因為質量與物體運動狀態的變化快慢有關，它事實上具有動力學特征，當一個物體的質量大時，它對運動狀態改變的阻抗能力就越大。

從邏輯上而言，我們只有將慣性從物質的內在因素中解除出來，才能完全地克服牛頓時代的機械論自然觀與牛頓第一運動定律之間存在著的深刻矛盾。也就是說，這樣才能使牛頓第一定律恰如其分地建立在由文藝復興所形成的機械論而不是亞里士多德的目的論的形而上學的基礎之上。

五、慣性定律的表述方式

牛頓第一定律是動力學定律的基礎，但它本身并不表征物體的某種動力學性質，它是關于人類體驗認識自然之美、自然之和諧的陳述。據于上面的論述，對牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過分的:反映時間的均勻性、空間的對稱性及自然之美對人的呈現。可是，現行的許多教科書中對牛頓第一定律的陳述是很不一致的。當然，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榷的了。

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或勻速直線運動狀態。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。

另外一種常見的陳述方式是:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止。這樣一種表述比前一種完整多了，它幾乎就是牛頓的原義，但這里的“一切物體”應當換成“任何物體”。因為在此論述中的“任何物體”實際上是對一切物體的否定，而“有外力”應當換成“其他物體的作用”，因為慣性定律是不涉及力的，操作意義上的力這個動力學的基本概念與慣性無關。

作者試著這樣來陳述慣性定律:存在著的宇宙有這樣一種性質，它使任何物體在沒有受到其他物體作用的時候總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。或許，這樣的一種陳述方式是較明晰的陳述方式，它強調了慣性與慣性的表現者(個別研究對象)的嚴格區分，這個陳述的主語是性質，這樣的陳述才可稱為關于“慣性”的定律。而我們也應當將慣性定義為:使物體保持靜止或勻速直線運動狀態的性質。

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(揭西縣棉湖鎮)