淺談慣性系在物理學框架中的作用

陸敬超

摘 要：慣性是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，且與慣性相關的問題也常是物理學中討論的一個話題。

關鍵詞：慣性；物理；應用

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制做勻速直線運動。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。

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。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、物體要表現出慣性，它必須處于慣性參考系

慣性，這個我們通常認為是由物體內在因素決定的性質，其實是物體存在方式的一種條件性：“試取汽車為參考系統來研究‘當汽車急劇剎車的時候，車中乘客有向前傾倒的傾向這個問題，在汽車急劇剎車前，相對于汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時，乘客突然向前傾，這就是說，以汽車為參考系統，乘客由靜止而突然向前傾，并不保持其靜止狀態，并不表現出慣性”。這個條件就是：物體要表現出慣性，它必須處于慣性參考系。

三、慣性定律與牛頓第二定律的關系

在涉及慣性的問題上我們必須分別那些是屬于慣性現象，而那些則不屬于慣性現象――即為動力學現象。同時所有的老師都要求學生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當我們的老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？

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作勻速直線運動。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。

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。

四、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：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。

因此，“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。

五、關于慣性的最后結論

由于在牛頓時代是無法判定慣性的本質的。牛頓幾乎是在第二定律的意義上來領會慣性的，因而他才認為（慣性）大小與該物體的運動和質量有關。

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。也就是說，我們必須對牛頓意義上的慣性作出更開放性與發展性的深入為兩個層面的結論：在沒有外力的作用下，一個物體，它能保持靜止狀態或勻速直線運動是由于慣性，即時間均勻性與空間對稱性；在同樣大小的力的作用下，一個物體它的運動狀態較難改變是由于它的動力學特性――抗性，即它的質量較大。

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