論慣性定律

郭 釗

摘要本文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;物的動力學特性與審美性。

關鍵詞慣性 存在 時間 空間

中圖分類號:O41 文獻標識碼:A 文章編號:1009-0592(2009)05-376-01

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,并且慣性也是經常被物理學界討論的一個話題。可是,盡管經典力學經過了漫長的時期,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。

二十世紀初,德國數學家諾特爾證明了: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,并無大小可言,它只是存在之狀態的表達。

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。至于時間,自從奧古斯丁提出“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的外來作用的阻抗的性質”這樣一種說法就是不當的。因為這一注釋還是從對牛頓第二定律的基本而來的,在這一注釋中已經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的詭辯行為。

三、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,它是關于人類體認自然之美、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討的了。 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“其它物體的作用”,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。

參考文獻:

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